Электродинамическое моделирование многоэлементных фар объёмных микрополосково-штыревых излучателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Китайский, Максим Сергеевич

• Китайский, Максим Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Китайский, Максим Сергеевич

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ТИПЫ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ СТРУКТУР.

1.1 Методы расчета одиночных микрополосковых антенн.

1.2 Методы анализа микрополосковых антенных решеток.

1.3 Сравнение импедансных свойств уединенных излучателей и излучателей в составе решеток.

1.4 Область применения отражательных антенных решеток.

1.5. Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЛОСКОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ОБЪЕМНЫХ МИКРОПОЛОСКОВО-ШТЫРЕВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Формулировка интегральных уравнений.

2.3 Определение компонент векторов напряженностей вспомогательных полей.

2.4 Применение условия периодичности.

2.5 Особенности численной реализация решения системы интегральных уравнений

2.6 Исследование сходимости рядов матричных коэффициентов СЛАУ.

2.7 Выражения для правых частей СИУ для различных устройств возбуждения.

2.8 Выражения для ДН элементов в составе ФАР объемных МПИ.

2.9 Численное исследование ФАР объемных микрополосково-штыревых излучателей.

2.10 Численное исследование ФАР пластинчатых элементов, возбуждаемых открытыми концами прямоугольных волноводов.

2.11 Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ОБЪЕМНЫХ МИКРОПОЛОСКОВО-ШТЫРЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Формулировка интегральных уравнений.

3.3 Сравнение задач рассеяния и сосредоточенного возбуждения.

3.4 Определение правых частей системы интегральных уравнений. 3.5 Численная реализация решения системы интегральных уравнений.

3.6 Определение поляризационной матрицы рассеяния (ПМР).

3.7 Численное исследование поверхностных токов ОАР объемных микрополосковоштыревых элементов.

3.8 Фазовые свойства микрополосковых вибраторов с короткозамыкающими штырями в составе печатных ОАР.

3.9 Характеристики рассеяния управляемых микрополосково-штыревых ОАР.

3.10 Угловые характеристики микрополосковых ОАР.

3.11 Исследование ОАР комбинированных МПЭ в многоволновом режиме работы.

3.12 Экспериментальное исследование ОАР микрополосковых элементов.

3.13 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электродинамическое моделирование многоэлементных фар объёмных микрополосково-штыревых излучателей»

Актуальность темы

Как известно, обычные микрополосковые антенны (МПА), несмотря на большое количество преимуществ по сравнению с другими типами антенн, являются узкополосными [Сазонов Д.М. — 1], [Воскресенский Д.И. — 2]. Узкополосность, связанная, прежде всего, с резонансным механизмом работы таких излучателей, является существенным недостатком этих антенн. Кроме того, классические планарные МПА не отличаются высокой направленностью излучения. Для улучшения свойств МПА их объединяют в антенные решетки (АР). Так, например, решетка из N излучателей позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны по сравнению с одиночным излучателем. Более того, происходит сужение основного лепестка диаграммы направленности (ДН), что имеет особо большое значение в задачах радиолокации, радиомониторинга и радионавигации для повышения точности определения направления на источник радиоизлучения.

В настоящее время фазированные антенные решетки (ФАР) - это наиболее распространенный и востребованный класс антенн. Одним из важных их преимуществ является возможность практически безынерционного сканирования пространства за счет качания луча ДН антенны электрическим способом. Именно благодаря возможности быстрого и гибкого изменения амплитудно-фазового распределения в излучающей апертуре, такие антенны находят широкое применение в радиотехнических системах связи, локации и навигации. Очень часто на практике требуется создание антенной решетки с электрическим сканированием с несколькими независимыми лучами, как в случае многолучевых антенных систем, или решетки, работающей на различных частотах, - так называемые многочастотные или совмещенные АР, описанные в книге Бахраха Л.Д. [3]. Совмещенные антенные решетки имеют в своем излучающем раскрыве два или более типа излучателей, каждый из которых работает в своем рабочем диапазоне.

В антенных решетках оказывается возможным излучать большие уровни мощности за счет сложения в пространстве мощностей от многих генераторов высокочастотной энергии, размещенных в каналах решетки. Таким образом, повышается электрическая прочность антенны. При этом, в случае выхода из строя части активных элементов в каналах антенной системы по какой-либо причине, возможно сохранение формы диаграммы направленности и способности к сканированию окружающего пространства за счет корректировки работы других активных элементов. АР, способные изменять свои характеристики в зависимости от изменения электромагнитной обстановки, в литературе принято называть адаптивными АР [3]. Эти антенны обладают, возможностью адаптации по помеховой обстановке и, как следствие, повышают помехозащищенность радиосистемы в целом.

В современных сложных и многофункциональных ФАР количество используемых! антенных элементов исчисляется тысячами. Затраты на изготовление таких антенных систем очень велики, при этом конечная стоимость ФАР получается довольно высокой. Поэтому для снижения стоимости при проектировании ФАР необходимо использовать максимально технологичные элементы, которые будут обеспечивать требуемые технические характеристики и окажутся весьма малозатратными при их изготовлении, монтаже и настройке. Примером таких элементов как раз и являются МПА [4-10].

МПА отличаются простотой и технологичностью конструкции, малыми размерами и массой, высокой стабильностью характеристик при серийном изготовлении и эксплуатации. Высокая технологичность МПА совмещения с полосковыми линиями передачи и с используемыми в волноводной технике конструктивными методами согласования, низкая стоимость, а также возможность создания маловыступающих конструкций выгодно отличают МПА от других типов антенн [Лось В.Ф. — 11]. Согласно этим конструкторско-технологическим признакам, МПА широко применяют в качестве , элементов антенных решеток. Более того, еще одним важным преимуществом МПА, . выгодно отличающим их перед другими типами антенн, является возможность создания на их основе интегральных антенно-фидерных устройств, в которых на одной подложке с: излучателями интегрированы фазовращатели, малошумящие усилители, генераторы, быстродействующие микропроцессоры и т.д. Такие антенные элементы могут выполняться в виде отдельных модулей.

Кроме снижения стоимости решеток за. счет использования более дешевых антенных элементов, также имеется возможность проектирования более экономичных распределительных систем ФАР. Это связано с тем, что разработка и производство систем питания излучателей ФАР представляет серьезную проблему. Создание делителей мощности с согласованными и развязанными входами для многоэлементных решеток связано с необходимостью применения сложных и дорогостоящих методов проектирования, изготовления и настройки подобных схем. Кроме того, в. таких распределительных системах ФАР уровень потерь энергии оказывается высоким; Это потребует, использования дополнительных усилителей мощности, что, с одной стороны, приводит к удорожанию антенной системы в' целом, а, с другой. - к увеличению энергопотребления. Следовательно, имеет большое практическое значение разработка многоэлементных ФАР излучатели, которых легко пригодны для использования в более дешевых и простых распределительных системах, например, оптического типа и в отражательных антенных решетках [5 — 7, 9].

Как отмечалось ранее, всем элементарным пластинчатым излучателям свойственен один общий недостаток — узкополосность. Рабочая полоса таких излучателей измеряется процентами и долями процентов. Одним из способов расширения рабочей полосы частот МПА и решеток, сконструированных на их основе, является использование печатных антенн продольного излучения. Ярким представителями МПА продольного излучения являются излучатель Вивальди [30, 54, 56], и антенна Ферми [25]. Продольные излучатели в составе решетки способны обеспечить необходимые требования к полосе рабочих частот. Однако, такие излучатели обладают одним существенным недостатком -линейные размеры в продольном направлении оказываются весьма громоздкими. Оптимальные электрические размеры излучателей Вивальди (в продольном направлении) составляют 2Хо/в1/2, а антенны Ферми — (4-6)Хо. Применение таких излучателей при практической реализации компактных маловыступающих конструкций не удовлетворяет требованиям по габаритным показателям.

В настоящее время другим способом существенного улучшения частотных свойств МПА и решеток, сконструированных на их основе, является использование в качестве излучателей МПЭ сложной формы, в том числе и использование комбинированных МПЭ. В конструкциях таких излучателей для существенного расширения полосы рабочих частот используют печатные антенны без подложек, в которых пластинка поддерживается над экраном на высоте ~ 0,21 при помощи одной или нескольких опор и связана с возбуждающим зондом широким пространственным микрополосковым переходом (МПП) [11]. В качестве опор поддерживающих пластину можно использовать импедансные штыри. В научной литературе имеется достаточно большое количество публикаций посвященных исследованию и проектированию описываемых одиночных излучателей, рабочая полоса частот которых достигает значений вплоть до 100%. Однако, работ по исследованию таких излучателей в составе многоэлементных антенных решеток практически нет. Что вызывает большой научный интерес для решения нового класса трехмерных электродинамических задач и делает такие излучатели привлекательными для построения современных многофункциональных широкополосных многоэлементных ФАР.

Исключение из конструкции микрополосковой антенны подложки дает ряд преимуществ. Во-первых, повышается эффективность излучения антенны, поскольку отсутствуют потери в материале неидеального диэлектрика. Во-вторых, это дает возможность работать с более высокими уровнями мощности. При этом не возникают интермодуляционные искажения (как это часто бывает в конструкциях с подложками) из-за нелинейных явлений в диэлектрике подложки при больших уровнях излучаемой мощности. В-третьих, описываемая схема возбуждения совместима с используемыми в волноводной технике конструктивными методами согласования и ей не присуща дисперсия в достаточно широкой полосе частот, поскольку она поддерживает Г-волну. Кроме того, в подобных конструкциях не возникают поверхностные волны — основной источник «ослепления» сканирующих антенных решеток, проявляющегося в резких глубоких провалах в их диаграммах направленности [53]. В ряде случаев уменьшается стоимость изготовления.

Указанные достоинства позволяют применять МПА с подвешенными пластинами в качестве элементов фазированных антенных решеток как проходного, так и отражательного типа, удовлетворяющих критерию широкополосности.

Для ясности понимания, комбинированными будем называть излучатели, в топологии которых можно выделить продольные и поперечные конструкционные элементы. Продольными элементами, в свою очередь, будем называть те элементы, которые ориентированы перпендикулярно плоскости раскрыва АР, а поперечными те, которые параллельны ей. На рисунке 1 приведены примеры комбинированных излучателей, в составе которых входят поперечные и продольные пластинчатые элементы, а также конструкционные элементы в виде штырей. Данный тип излучателей представляет класс объемных излучателей. Такие объемные микрополосково-штыревые излучатели способны в полной мере обеспечить все необходимые требования, предъявляемые к современным антенным системам и решеткам антенн.

Рисунок 1 - Примеры топологий объемных микрополосково-штыревых печатных излучателей ФАР

Использование технологичных объемных микрополосково-штыревые излучателей 8 для построения ФАР сопровождается необходимостью разработки новых математических моделей для анализа и конструктивного синтеза таких излучателей. На сегодняшний день уже разработан ряд моделей и систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих анализировать подобные структуры. Однако, они имеют ряд серьезных недостатков: во-первых, это высокая их коммерческая стоимость, во-вторых, высокая потребность в значительных вычислительных ресурсах, в-третьих, — не всегда САПР обеспечивают высокую точность вычислений по причине использования приближенных методов анализа. Это не позволяет выявить ряд тонких эффектов, например, поведение касательной и тангенциальной составляющей вектора напряженности электрического поля вблизи края МПА. Экспериментальное исследование полноразмерных ФАР позволяет учесть реальные конструктивные параметры элементов решетки, их расположение, способ возбуждения. Однако, такой метод исследования является трудоемким и очень дорогостоящим. А в тех случаях, когда необходимо в процессе моделирования учитывать множество изменяющихся параметров, такой способ исследования оказывается просто непригодным. Математическое моделирование в полной, мере позволяет осуществить такое параметрическое исследование за сравнительно небольшой отрезок времени, что особенно важно при решении задач оптимизации. Поэтому разработка высокоэффективных математических моделей для анализа, конструктивного синтеза и оптимизации микрополосковых излучающих и дифракционных структур комбинированных элементов с улучшенными характеристиками, является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование на высоком электродинамическом уровне высокоэффективных математических моделей объемных микрополосково-пггыревых излучателей многоэлементных фазированных антенных решеток как проходного, так и отражательного типа.

Задачи исследования

Задачами исследования в диссертационной работе являются:

- разработка математической модели сосредоточенного возбуждения объемных микрополосково-штыревых излучателей плоской печатной ФАР при помощи симметричной полосковой линии передачи;

- разработка математической модели ОАР, состоящей из микрополосково-штыревых комбинированных элементов;

- на основе разработанных математических моделей проведение численного эксперимента по исследованию характеристик объемных микрополосково-штыревых излучателей, находящихся в составе многоэлементных фазированных антенных решеток, как проходного (в режиме сосредоточенного возбуждения АР), так и отражательного типа (в режиме рассеяния волн на АР);

-проведение экспериментальных исследований элементов печатной ОАР методом волноводного моделирования, для проверки адекватности разработанных математических моделей.

Объектом исследования являются электромагнитные поля, возбуждаемые в многоэлементных печатных ФАР как проходного, так и отражательного типа.

Предмет исследования — математические модели многоэлементных печатных антенных решеток технологичных объемных микрополосково-штыревых излучателей, а также методики расчета их характеристик.

Научная новизна и практическая ценность

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. В работе разработана универсальная высокоэффективная методика для численного анализа нагруженных объемных микрополосково-штыревых элементов ФАР как проходного, так и отражательного типов.

В диссертации разработаны математические модели для анализа многоэлементных фазированных и отражательных антенных решеток, состоящих из объемных микрополосково-штыревых излучателей, представляющих собой совокупность пластинчатых МПЭ произвольной формы, расположенных в плоскости раскрыва решетки, а также перпендикулярно-ориентированных, к этой плоскости продольных МПЭ, имеющих также произвольную форму, и нагрузочных элементов в виде импедансных штырей.

Разработана методика анализа характеристик согласования, излучения и рассеяния печатных ФАР на основе решения ряда дифракционных задач. Так, например, решена задача по определению электродинамических характеристик ФАР из комбинированных печатных элементов, на конструкционных элементах которых определены векторные плотности магнитных и электрических токов, текущих, как в поперечных, так и продольных плоскостях микрополосковой антенной решетки.

Кроме того, на электродинамическом уровне учтено влияние типа фидерной системы и конструкционных элементов на характеристики согласования, излучения и рассеяния многоэлементных ФАР объемных микрополосково-штыревых излучателей.

На основе разработанных математических моделей создан алгоритм и вычислительная программа, позволяющая рассчитывать основные электродинамические характеристики для проектирования антенных решеток комбинированных излучателей с учетом их конструкционных особенностей: коэффициент отражения в фидере; входное сопротивление и КСВ; все компоненты электромагнитного поля (ЭМП) в ближней и дальней зонах антенной решетки; а также элементы поляризационной матрицы рассеяния (ПМР) О АР. I

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанные математические модели, наиболее полно описывают электродинамические свойства микрополосковых излучающих и дифракционных структур на основе многоэлементных решеток объемных излучателей, а также волновые процессы, протекающие в них. Кроме того, разработанные математические модели ввиду своей универсальности пригодны для анализа и исследования широкого класса электродинамических структур, например, таких как микрополосково-штыревых отражательных антенных решеток с нагрузочными элементами в виде импедансных штырей, печатных ФАР, излучатели которых возбуждаются различными типами линий передачи (волноводная, коаксиальная, полосковая), полосковых и микрополосковых антенных решеток как проходного, так и отражательного типа с элементами произвольной формы и расположения. В связи с тем, что при решении поставленных граничных задач отыскиваются неизвестные распределения поверхностных плотностей электрических и магнитных токов на конструкционных элементах излучателей многоэлементных АР уменьшается время расчета. Благодаря тому, что все расчетные соотношения получены в строгой постановке с применением метода интегральных уравнений (ИУ), погрешность вычислений можно контролировать и делать ее как угодно малой. Кроме того, разработанные математические модели позволяют проводить анализ излучателей ФАР без предварительного макетирования, что в значительной степени позволит снизить материальные и временные затраты на их изготовление и настройку. Таким образом, разработанный алгоритм можно рассматривать как вычислительное ядро для систем автоматизированного проектирования многоэлементных микрополосковых антенных и дифракционных решеток и использовать как мощный инструмент в инженерной практике при создании антенных устройств радиотехнических комплексов и систем различного назначения.

Результаты исследования использованы;

-в госбюджетной НИР 11056 «Разработка методов моделирования и алгоритмов синтеза радиоэлектронных средств для информационно-телекоммуникационных систем повышенной эффективности»;

-в учебном процессе кафедры антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного Федерального Университета в г. Таганроге;

- в ОАО «Научно-производственное предприятие космического приборостроения «Квант» в рамках выполнения комплексного проекта по Постановлению РФ №218 от 9 апреля 2010 года по теме: «Создание высокотехнологичного производства по изготовлению информационно-телекоммуникационных комплексов спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS/Galileo», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются следующие методы исследования: математические методы линейной алгебры; теория функций комплексного переменного; вычислительная математика; функциональный анализ; метод интегральных уравнений, а также численные методы решения задач электродинамики. Так, разработана методика решения задачи сосредоточенного возбуждения объемных микрополосково-штыревых излучателей ФАР и задачи рассеяния локально плоской электромагнитной волны на бесконечной двоякопериодической плоской ОАР рассматриваемых элементов. На основе леммы Лоренца в интегральной, форме получена система интегральных уравнений относительно неизвестных компонент поверхностной плотности магнитного тока апертуры решетки, электрического тока на поверхности продольных элементов и импедансных штырей, а также относительно комплексного коэффициента отражения в питающем фидере. Система ИУ при помощи метода Галеркина сведена к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно комплексных амплитуд искомых токов. Конечная СЛАУ решалась методом-Гаусса.

Достоверность и апробация диссертационной работы

Достоверность полученных результатов определяется тем, что решения поставленных граничных задач электродинамики опираются на строгие математические, методы. Получено хорошее согласование расчетных зависимостей с экспериментальными данными и результатами, опубликованными в научной литературе. Более того, проведенные эксперименты выполнены с помощью стандартной поверенной измерительной аппаратуры.

Результаты исследований неоднократно^ докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных и научно-практических конференциях, в том числе: на четвертой, пятой и шестой.международных молодежных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ)», РТ-2008, Севастополь 2008 г., РТ-2009, Севастополь 2009 г., РТ-2010, Севастополь 2010 г.; на всероссийской научной, конференции студентов и аспирантов «КРЭС-2008»

Таганрог, 2008 г.; на международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн - ИРЭМВ - 2009», Таганрог - Дивноморское, 20-25 июня 2009 г.; на 19-й Международной Крымской Конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (CriMiCo'09), Севастополь, 2009 г; на 14-ом международном научном семинаре/симпозиуме «Proceeding of XIV international seminar/workshop on direct and inverse problems of electromagnetic and acoustic wave theory (DIPED-2009)», Львов, 2009 г; на международной молодежной научно-практической конференции, «ИНФОКОМ-2009», Ростов-на-Дону, 2009 г, на международном научном симпозиуме по физике и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн «2010 International Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves (MSMW'2010)», г. Харьков, 2010.

Основные результаты исследования опубликованы в 15 работах [75-89]. В соавторстве с научным руководителем и профессором каф. АиРПУ Касьяновым А.О. опубликованы: одна статья в сборнике научно-технических статей «Рассеяние f электромагнитных волн», Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2008 и четыре научные статьи, опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, в которых должны быть опубликованы I основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук: одна статья в научно-техническом журнале «Электромагнитные волны и электронные, системы», 2009 г. Т. 14. №5; три статьи в научно-техническом журнале «Известия ЮФУ. Технические науки», за 2010 г. №1 (две статьи) и за 2011 г. №2 (одна статья).

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

- решение задачи по определению поля в апертуре решетки и комплексного коэффициента отражения в питающем фидере ФАР объемных микрополосково-штыревых излучателей, возбуждаемой симметричной полосковой линией (СПЛ) передачи;

- решение задачи по определению поля в апертуре и элементов поляризационной матрицы рассеяния ОАР объемных микрополосково-штыревых переизлучателей, возбуждаемых падающей локально плоской ЭМ волной произвольной поляризации;

- результаты численных экспериментов ФАР, состоящих из широкополосных объемных микрополосково-штыревых излучателей;

- результаты численного исследования печатных ОАР комбинированных микрополосково-штыревых элементов произвольной топологии.

Личный вклад автора. Автору принадлежит: разработка математических моделей; разработка алгоритмов и составление программ расчета; планирование и проведение численного моделирования и измерений; обсуждение и интерпретации

13 полученных результатов; формулировка основных выводов и положений работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка используемой литературы из 89 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации 155 страниц, включая 103 рисунка, 260 формул.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Китайский, Максим Сергеевич

Основные результаты, полученные автором в этом разделе, опубликованы в [75, 80-83, 87-89].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом диссертационной работы является разработанная высокоэффективная методика анализа ФАР нагруженных объемных микрополосково-штыревых излучателей. Необходимость разработки такой методики была вызвана острой потребностью в снижении затрат на разработку и проектирование дорогостоящих многоэлементных ФАР.

В работе на высоком электродинамическом уровне разработаны математические модели для анализа многоэлементных фазированных антенных решеток как проходного, так и отражательного типа, состоящих из объемных микрополосково-штыревых излучателей. Эти излучатели представляют собой совокупность пластинчатых МПЭ произвольной формы, расположенных в плоскости раскрыва решетки, а также перпендикулярно-ориентированных к этой плоскости продольных МПЭ, имеющих также произвольную форму, и нагрузочных элементов в виде импедансных штырей.

На электродинамическом уровне строгости разработана методика анализа характеристик согласования, излучения и рассеяния печатных ФАР на основе решения ряда дифракционных задач. Так, например, решена задача по определению электродинамических характеристик сосредоточенного возбуждения ФАР из комбинированных печатных элементов, на конструкционных элементах которых определены векторные плотности магнитных и электрических токов, учтено влияние конструкционных элементов на характеристики согласования, излучения и рассеяния. Разработанная математическая модель, позволяет анализировать широкий класс электродинамических структур. Другими словами, представленная методика анализа ФАР в" этом отношении обладает универсальностью. Так, оказывается возможным анализировать как ФАР, составленные только лишь из продольных элементов, так и решетки, составленные только из поперечных элементов. Кроме того, предлагаемая методика позволяет исследовать антенные решетки из объемных микрополоско-штыревых элементов произвольной формы в режиме рассеяния падающей локально плоской электромагнитной волны произвольной поляризации, получая при этом в качестве характеристики рассеяния поляризационную матрицу рассеяния. Немаловажное значение имеет и то, что в математической модели адекватно учитывается тип и структура устройства возбуждения, а также нагрузочные элементы в виде импедансных штырей. Другими словами, разработанные математические модели, наиболее полно описывают электродинамические свойства микрополосковых излучающих и дифракционных структур, а также волновые процессы, протекающие в них.

Отличительной особенностью разработанных математических моделей, является то, что в результате решения конечной СЛАУ определяются токи и поля на конструкционных элементах излучателя ФАР. Это позволяет в значительной степени сократить время расчета и снизить требования к вычислительным ресурсам, что имеет особо важную роль в задачах оптимизации и параметрического синтеза многоэлементных антенных систем. Благодаря тому, что все расчетные соотношения получены в строгой постановке с применением метода ИУ, погрешность вычислений удается контролировать и делать ее сколь угодно малой. Таким образом, разработанный алгоритм можно рассматривать как вычислительное ядро для систем автоматизированного проектирования многоэлементных микрополосковых антенных и дифракционных решеток и использовать как мощный инструмент в инженерной практике при создании антенных устройств радиотехнических комплексов и систем различного назначения.

На основе разработанных математических моделей создан алгоритм и вычислительная программа, позволяющая рассчитывать основные электродинамические характеристики для проектирования антенных решеток объемных излучателей с учетом их конструкционных особенностей: коэффициент отражения в фидере; входное сопротивление и КСВ; все компоненты ЭМП в ближней и дальней зонах антенной решетки; а также элементы поляризационной матрицы рассеяния ОАР. Доказательством вышесказанному являются данные, полученные в результате численного эксперимента. Так, проведено параметрическое исследование описанных выше излучателей. Определены характеристики согласования элемента ФАР в зависимости от ряда конструкционных параметров, оценено влияние каждого из них на согласование. Рассчитаны диаграммы направленности элементов находящихся в составе ФАР в режиме сканирования. При этом выявлено, как при сканировании изменяется диаграмма направленности излучателя в составе ФАР. Проведенное численное исследование ряда топологий комбинированных МПИ в режиме отражательной антенной решетки (ОАР) указало на адекватный учет в разработанной математической модели импедансных включений, а также наклонное падение ЭМВ. Приведенные численные результаты свидетельствуют об адекватности разработанной математической модели и могут быть успешно использованы в различных НИИ и КБ с целью их практического применения при создании СВЧ аппаратуры.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что поставленная цель диссертационной работы достигнута в полной мере. Разработанные модели можно рассматривать в качестве основы для САПР многоэлементных микрополосковых ФАР и использовать как мощный инструмент в инженерной практике при создании современных антенных устройств радиотехнических комплексов и систем различного назначения.

В качестве перспективных путей дальнейшего развития проведенной работы и расширение возможностей разработанных математических моделей можно отметить следующее:

- в состав элементов решетки можно включить управляемые нелинейные нагрузки, замыкающие поперечные элементы на экран. Это позволит создать АР с управляемыми характеристиками;

- при моделировании, можно рассмотреть дополнительный отрезок фидера, идущий под экраном ФАР. Это позволит учесть многомодовый режим в питающей линии передачи;

- рассмотреть случай наклонных пространственных переходов от фидера к излучателю ФАР, а также размещение в области подложки дополнительных пластинчатых элементов для имитации контактных площадок. Что в значительной степени позволит расширить возможности математической модели для анализа более сложных конструкций излучателей антенных решеток.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Китайский, Максим Сергеевич, 2011 год

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. Учебник для радиотехнических спец. вузов. М.: Высшая школа, 1988 — 432с.

2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: учеб. пособие для вузов / B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд., доп. и перераб.-М.: Радио и связь, 1994 - 592с.

3. Бахрах Л.Д. Проблемы антенной техники / Под. ред. Л.Д.Бахраха, Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. - 368с.: ил.

4. Панченко Б.А., Нефедов Е.И., Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986.

5. J.R. James, P.S. Hall. Handbook of microstrip antennas. 1989, London, United Kingdom. 1312p.

6. Microstrip antenna design handbook. R. Garg, 2001, ARTECH HOUSE Norwood, British.

7. Reflectarray antennas. J. Huang, J.A. Encinar. 2008. by Institute of Electrical and Electronic Engineers,

8. Antenna Engineering Handbook. H. Jasik. MaGraw Hill, New.York, 1961.

9. D.G. Berry , R.G. Malech, W.A. Kennedy. The reflectarray antenna. // Trans. Antennas Propagat., Vol. AP -11 , Nov. 1963 , pp. 645 651.

10. Barry J. Rubin, Henry L. Bertoni. Reflection from a periodically perforated plane using a subsectional current approximation // IEEE Trans. Antennas and Prop., vol. AP-31, November 1983, pp. 829-836.

11. Лось В.Ф. Микрополосковые и диэлектрические резонаторные антенны. САПР-модели: методы математического моделирования / Под ред. Л.Д.Бахраха. — М.: ИПРЖР, 2002. — 96 с.

12. Бахарев С.И., Вольман В.И., Либ Ю.Н. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И.Вольмана, — М.: Радио и связь, 1982.-328с.

13. Инденбом М.В. Метод расчета продольных печатных излучателей в плоских ФАР. — В кн.: Антенны / Под ред. Д.И.Воскресенского. Вып. 32. М. Радио и связь, 1985.

14. Чон К.Х., Петров А.С. Широкополосные микрополосковые антенны // Антенны Вып. 3(49), 2001. С.18-33.

15. Панченко Б.А., Шабунин С.Н. Характеристики излучения полосковых вибраторов // Радиотехника и электроника, 1981, № 6, С. 1132 1137.

16. A generalized solution to a class of printed circuit antennas. Katelu P.B., Alexopoulos N.G., AP-S, Boston, Vol.2, p. 566-568.

17. Никольский B.B. Проекционные методы в электродинамике (экранированные и открытые системы).

18. Y. Suzuki, J. Hirokawa. Development of planar Antennas // IECE Trans Commun., Vol., №3,2003. p. 909-924.

19. Пономарев Л.И., Шаталов А.В. Характеристики плоских переизлучающих вибраторных структур // Изв. вузов, сер. Радиоэлектроника, 1989, № 2, с. 76 77.

20. Green's function for layered lossy media with special application to microstrip antennas. Beyene L., De Zutter D., ICAP'87, Heslington, 1987, p. 169-172.

21. Bailey M.C., Deshpande M.D. Integral equation formulation of microstrip antennas // IEEE Trans., 1982, AP-30, № 4, p. 651 656.

22. Radiation and scattering from a microstrip patch on a uniaxial substrate. Pozar D. // IEEE TAP, 1987, Vol. 35, №6, p.613-621.

23. Самарский A.A., Тихонов A.H. Уравнения математической физики. Изд. 3-е, испр. и доп.: учеб. пособие для ун-тов. М.: 1966.

24. Н. Sato, N. Arai, Y. Wagatsuma, К. Sawaya, К. Mizuno. Design of Millimeter Wave Fermi Antenna with Corrugation // IEICE Trans. (B), Vol. J86-B, No. 9, pp. 1851—1859, 2003.

25. The dyadic Green's functions of microstrip antennas. Z. Mergyun. // AP-S Boston. Vol.1, p.287-290.

26. Самарский A.A. Введение в численные методы: учебн. пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 288 с.

27. Филиппов B.C., Сапожников А.А. Метод заряда в задаче математического моделирования печатных излучателей. — Автоматизированное проектирование устройств и систем СВЧ. / Под ред. В.В. Никольского М.: МИРЭА, 1982, с. 138-148.

28. Moment method in electromagnetics. Tecniques and, applications. E. Moore.: New York, 1984. XVIII, 398pp.

29. Касьянов A.O., Обуховец В А., Мушников В.В. Результаты численного и экспериментального исследований широкополосных печатных излучателей антенных решеток // Антенны, 2007, № 5(120), С. 9 15.

30. Richard С. Hall. Juan R. Mosig. The analysis of coaxially fed microstrip antennas with electrically thick substrates // Electromagnetics, 1989, №9, p. 367-384.

31. Newman E.N., Pozar D.M. Electromagnetic modeling of composite wire and surface geometries // IEEE TAP, 1978, v. AP-26, №6, p. 784 789.

32. Pozar D.M. Improved computational efficiency for the moment method solution of printed dipoles and pathes // Electromagnetics, 1983, v.3 N3 4, p 299 -309.

33. A spectrum domain analysis for the microstrip patch antenna loaded by conductive posts. Zhang W.-X., Chang C.H. ICAP'87, London, p.173-176.

34. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, в 3-х т.- СПб.: Издательство: Лань, 1997.

35. Бронштейн И Н., Семендяев К.А., Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов / Под ред. Г. Гроше, В. Циглера, — М.: Наука, 1980.

36. Войтович Н.И., Панченко Б.А., Соколов А.Н. Резонаторная антенна и устройство ее возбуждения // Радиотехника и электроника, 1999, Т.44, №6, с.710-714.

37. Татарников Д.В., Соколов А.С. Математическое моделирование микрополоско-вых структур СВЧ на основе набора унифицированных токовых элементов // Радиотехника, 1995, №1-8, с. 110 114.

38. J. М. Jin and J. L. Volakis. A Finite Element-Boundary Integral Formulation for Scattering by Three-Dimensional Cavity-Backed Apertures // IEEE Trans. Antennas and Prop., vol. AP-39, January 1991, pp. 97-104.

39. A. Taflove, K. Umashankar. A Hybrid Moment Method/Finite-Difference TimeDomain Approach to Electromagnetic Coupling and Aperture Penetration into Complex Geometries // IEEE Trans. Antennas Prop., vol. AP-30, July 1982, pp. 617-627.

40. M.A. Morgan, C.H. Chen, S.C. Hill, P.W. Barber. Finite Element-Boundary Integral Formulation for Electromagnetic Scattering. Wave Motion, vol. 6, pp.91-103.

41. X.C. Yuan, D.R. Lynch, and J.W. Strohbehn. Coupling of Finite Element and Moment Methods for Electromagnetic Scattering from Inhomogeneous Objects // IEEE Trans. Antennas and Prop., vol. 38, March 1990, pp. 386-393.

42. Yano S., Ishimaru A. A theoretical study of input impedance of a circular microstrip disk antenna// IEEE Trans., 1981,v. AP-29, N 1, p. 77-83.

43. Rana I.E., Alexopoulos N.G. Current distribution and input impedance of printed dipoles // IEEE Trans., 1981, v. AP-29, N 1, p. 99-105.

44. Обуховец В.А., Касьянов А.О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. Монография / Под ред. В.А. Обуховца. М.: Радиотехника, 2006. — 240с.: ил.

45. Пономарев Л.И., Гордиенко Д.В., Шаталов А.В. Проектирование радиолокационных и антенных устройств с применением ЭВМ. — М.: МАИ, 1985, с. 58 — 62.

46. Савенко П.А., Ткач М.Д., Численное решение нелинейной задачи синтеза микро-полосковой антенной решетки с учетом взаимного влияния излучателей // Радиотехника и электроника, 2001, Т. 46, № 1, С. 58 65.

47. Просвиркин С.Л., Резник И.И., Селезнев Д.Г., Согласование с линиями питания и учет взаимного влияния в микрополосковых антенных решетках // Радиотехника и электроника, 1998, Т. 43, № 12, С. 1473 1476.

48. Y. Konishi. Phased Array Antennas // IECE Trans Commun., Vol. E86-B. № 3, 2003. p. 954 967.

49. Амитей H., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. -М.: МИР, 1974, -456с.

50. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн М.: "Радио и связь" 2000. 559с.

51. Касьянов АО., Обуховец В.А. Методика определения углов «ослепления» микро-полосковой ФАР на основе решения дифракционных задач. // Радиотехника, 2001, №7, С. 114—118.

52. D.H. Schaubert. A Class of E-Plane Scan Blindnesses in Single-Polarized Arrays of Tapered-Slot Antennas with a Ground Plane // IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 44, № 6, pp.954-959, July 1996.

53. С. Craeye, А.О. Boryssenko, D.H.Schaubert. Analysis of infinite and finite arrays of tapered-slot antennas for SKA // Proc. of the 2002 European Microwave Conference, Milano, September 2002. — P.1003-1006.

54. D.G. Berry, R.G. Malech, W.A. Kennedy. The reflectarray antenna // IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-11, Nov. 1963, pp. 645-651.

55. Излучение и рассеяние электромагнитных волн. Радиолокационные системы локации и связи. Коллективная монография / Под ред. В. А. Обуховца. М.: Радиотехника, 2007. - 73с.

56. R.E. Munson, Н. Haddad. Microstrip reflectarray for satellite communication and RCS enhancement and reduction. U.S. patent 4,684,952, Washington, D.C., August 1987.

57. J. Huang. Microstrip reflectarray // IEEE AP S/URSI symposium, London, Canada, June 1991 , pp. 612-615.

58. D.M. Pozar, T.A. Metzler. Analysis of a reflectarray antenna using microstrip patches of variable size // Electronics Letters, April 1993, pp. 657- 658.

59. Y.T. Gao, S.K. Barton. Phase correcting zonal reflector incorporating rings // IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 43, April 1995, pp. 350 355.

60. Касьянов A.O., Обуховец B.A., Мушников B.B., Математическое моделирование излучателей решеток печатных вибраторов на опорных стойках и численное исследование их характеристик согласования // Радиотехника, 2007, № 1, С.85-89.

61. Javor R.D., Wu X. D., Chang K. Design and performances of a microstrip flat reflectarray antenna// W. opt. technol. Lett., 1994, 7, p. 322 — 324

62. J. Huang, M. Lou, E. Caro. Super-low mass spaceborne SAR array concept // IEEE 1997, p. 1288-1291.

63. L. Li, Q. Chen, Q. Yuan, K. Sawaya, T. Maruyama, T. Furuno, S: Uebayashi. Novel broadband planar reflectarray with parasitic'dipoles for wireless communication applications // IEEE Antennas and wireless propagation letters, VOL. 8, 2009, p. 881 — 885.

64. N. Herscovici, Z. Sipus. Circularly Polarized Single-Fed Wide-Band Microstrip Patch // IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol. 51,.№ 6, June 2003, p. 1277.

65. N. Herscovici: Nonplanar Microstrip Arrays // IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol. 44, № 3, March 1996.

66. Aperture-couped patch as reflectarray unit cell with a large range of phase delay, J.Encinar.-//• 28th ESA Antenna Workshop on Space Antenna Systems and Technologies

67. State of the Art in Strategic Area and Creative Ways Forward, 2005,ESTEC,Nordwijk, The Netherlands.

68. S.D. Targonski, R.B. Waterhouse, D.M. Pozar. Design: of wide-band aperture-stacked patch microstrip antennas // IEEE TAP, Vol. 46, pp. 1245-1251, Sept ■ 1998.

69. Касьянов А.О., Заковоротный С.И. Математичсская модель плоской микро-полосковой фазированной« антенной решетки, возбуждаемой коаксиальной линией питания // Радиотехника, № 11,2008, С.73-79.

70. Касьянов А.О; Численное исследование особенностей поведения токов микропо-лосковой отражательной решетки//Радиотехника, № 2,'2006,:С.96-100.

71. Марков F.T., Васильев А.Ф. Математические методы прикладной электродинамики;— М.: Сов. Радио, 1970.

72. Китайский М.С. Радиопрозрачные антенные обтекатели. // «Молодежь XXI века— будущее российской науки»: Тезисы докладов шестой Всероссийская наз^чно-практической;конференции студентов,.аспирантов:и молодых ученых. — Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2009.-С. 136 137.

73. Касьянов A.O., Китайский М.С. Модель плоской микрополосковой решетки рек-тенн, состоящей из комбинированных излучателей. // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: Изд-во: ТТИ ЮФУ, 2010 - С. 204 - 208.

74. Касьянов А.О., Китайский М.С. Результаты численного исследования плоской рек-тенной решетки печатных комбинированных элементов. // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: Изд-во: ТТИ ЮФУ, 2010 - С. 212 - 216.