Исследование схем частотного сканирования диаграммы направленности антенных решеток с постоянной частотой излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Малов, Андрей Владимирович

• Малов, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малов, Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 КРАТКИЙ АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ.

12. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

12. ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ В РЕШЕТКАХ.

13. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВОГО СКАНИРОВАНИЯ.

1.4 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

1.42. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕН1ЮСТИ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

1.4 2 . СПЕЦИФИКА ВЫБОРА КАНАЛИЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.

1.4 3. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕБРИСТЫМ СТРУКТУРАМ.

1.4.4. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЩЕЛЕВЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ПОЛЫМ ВОЛНОВОДАМ.

1.4 5. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЩЕЛЕВЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ВОЛНОВОДАМ,ПОЛНОСТЬЮ

ЗАПОЛНЕННЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ.

1.4 £. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗЛИЧНЫМ КОНФИГУРАЦИЯМ ЩЕЛЕВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ

ВОЛНОВОДОВ,ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОМ.

1.4 £ 2 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ РАСПОЛОЖЕННОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО УЗКИМ СТЕНКАМ В

ПЛОСКОСТИ СИММЕТРИИ.

1.4 £ 2 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ДВУМЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ РАСПОЛОЖЕННЫМИ СИММЕТРИЧНО ОКОЛО

УЗКИХ СТЕНОК.

1.4 £ 3 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ОДНОЙ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ ОКОЛО УЗКОЙ СТЕПКИ.

1.4.7. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО

СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗМЕЙКОВЫМ ВОЛНОВОДАМ.

1.4 Я. СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ

СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ.

1.4 9. СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СЛАБО

ДИСПЕРСИОННЫМ И НЕДИСПЕРСИОННЫМ СТРУКТУРАМ.

15. ВЫВОДЫ.

2 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО

СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР.

22. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ

НЕДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР.

2 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СХЕМ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.£

2 3 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИНИЙ

ЗАДЕРЖКИ.

2.4. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

25. ВЫВОДЫ.

3 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР.ill

32. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ

СТРУКТУР.

3 2 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-{ЦЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ

ПОЛОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА.

3 2 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ С СОХРАНЕНИЕМ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ.

3 2 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ С СОХРАНЕНИЕМ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ.

3 3 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА,ПОЛНОСТЬЮ ЗАПОЛНЕННОГО ДИЭЛЕКТРИКОМ. 249 3.4. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙ1ЮГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО -ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ

ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА,ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННОГО ДИЭЛЕКТРИКОМ.

3 .4 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ РАСПОЛОЖЕННОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО

УЗКИМ СТЕНКАМ В ПЛОСКОСТИ СИММЕТРИИ.

3 .4 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ДВУМЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ ВДОЛЬ УЗКИХ СТЕНОК .272 3.4 3. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ОДНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ ОКОЛО УЗКОЙ СТЕНКИ.

3 5. СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗМЕЙКОВЫМ

ВОЛНОВОДАМ И ВОЛНОВОДАМ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ.

3 £. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕБРИСТЫМ СТРУКТУРАМ.

3.7. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО

СКАНИРОВАНИЯ ПРИ СМЕШАННОЙ ЗАПИТКЕ ЭКВИДИСТАНТНОЙ ЛИНЕЙКИ

ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

3.71. ВОЗМОЖНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ВОЛНОВОДНО

КОАКСИАЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ.

3.7 2. ВОЗМОЖНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ВОЛНОВОДНО

ВОЛНОВОДНОЙ ЗАПИТКЕ.

3 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

3 Э ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ В ПРИЕМНЫХ

СИСТЕМАХ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА.

310 ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование схем частотного сканирования диаграммы направленности антенных решеток с постоянной частотой излучения»

Решение целого ряда важных задач обнаружения объектов в сложной электромагнитной обстановке немыслимо без электрического управления диаграммой направленности (ДН) в максимально возможном секторе углов, что может быть удовлетворено в полной мере лишь с помощью активных или пассивных фазированных антенных решеток.

Известны различные способы электрического сканирования, различающиеся методами реализации необходимого сдвига фаз между излучателями, обладающие своими достоинствами и недостатками.

При наиболее распространенном фазовом сканировании изменение относительных фаз поля излучателей по раскрыву достигается с помощью аналоговых или дискретных фазовращателей, фаза выходящей электромагнитной волны в которых непрерывно или дискретно меняется в зависимости от управляющего тока или напряжения [1-6].

Использование аналоговых фазовращателей позволяет реализовать плавное изменение фазы в каждом фазовращателе и, как следствие, угловое перемещение ДН. При использовании дискретных фазовращателей осуществляется скачкообразное изменение фазы и положения ДН в пространстве. При замене фазовращателей коммутаторами, которые из набора излучателей с заданными фазами включают те, которые формируют ДН в нужном направлении, реализуется дискретно-коммутационное сканирование.

К достоинствам фазового сканирования следует отнести неизменность рабочей частоты радиосистемы и возможность реализации широкоугольного сканирования. Однако реализация фазового сканирования в больших многоэлементных решетках требует большого количества сравнительно дорогих фазовращателей, что приводит к существенному увеличению массы и стоимости конструкции, а также усложняет управление. Кроме того, эффективные фазовращатели разработаны и освоены промышленностью не для всех представляющих интерес частотных диапазонов. Поэтому поиск альтернативных способов сканирования продолжает привлекать внимание разработчиков антенных решеток.

При частотном сканировании изменение относительных фаз излучателей достигается путем изменения частоты генератора (в передающей антенне) или гетеродина приемника [1,7-32].

Основным преимуществом частотного сканирования является простота реализации: для управления положением луча достаточно наличия генератора с широким диапазоном перестройки частоты или сильно дисперсионной среды антенны при малой полосе частот генератора; при этом способе сканирования нет необходимости в фазовращателях, роль которых выполняют отрезки питающих канализирующих систем. Все это позволяет существенно снизить массу и стоимость конструкции.

Возможности частотного сканирования с точки зрения реализации сканирования луча в широком секторе углов зависят от применяемой канализирующей системы, выбора типа излучателей, закона их расположения и ряда других факторов.

Так, например, использование прямоугольного полого волновода позволяет реализовать сканирование в угловом секторе (12.60)° при синфазно связанных с волной излучателях (излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по одну сторону от нейтрали) и (-90. 14)° при переменно -фазно связанных с волной излучателях (излучатели расположены попеременно по разные стороны от нейтрали) [9]. Для этого требуется изменение частоты (коэффициент частотного перекрытия) в 1,95 и 1,96 раза соответственно.

К настоящему времени достаточно подробно исследованы предельные возможности частотного сканирования при использовании в качестве канализирующих систем ребристых структур, прямоугольных полых волноводов и некоторых волноводно-диэлектрических структур, а также ряда недисперсионных структур.

Одним из способов уменьшения коэффициента частотного перекрытия, применимом при симметричном относительно нормали секторе сканирования, является коммутация направления питания. В этом случае при перемене направления бегущей волны направление излучения изменяется на симметричное относительно нормали к антенне, а коэффициент частотного перекрытия уменьшается в 2 раза при той же величине сектора сканирования.

Для уменьшения коэффициента частотного перекрытия при сканировании в несимметричном относительно нормали секторе можно использовать систему параллельных волноводов с разным периодом излучателей. Каждый волновод при одинаковой девиации частоты обеспечивает сканирование в соответствующем секторе. Сумма этих секторов должна быть равна полному сектору сканирования. При достаточно большом числе параллельных волноводов заданный сектор сканирования может быть перекрыт при достаточно малом коэффициенте частотного перекрытия.

Подобные способы уменьшения коэффициента частотного перекрытия усложняют управление антенной и приводят к увеличению массы конструкции.

Другим способом уменьшения коэффициента частотного перекрытия является применение структур с высокой дисперсией. Так, например, при использовании в качестве канализирующей системы ребристой структуры возможно перекрытие практически полного сектора сканирования при коэффициенте частотного перекрытия, существенно меньшей, чем в случае прямоугольного полого волновода (изменение частоты на несколько процентов) [11].

В последнее время благодаря прогрессу в области разработки новых высококачественных диэлектриков, имеющих малые потери в СВЧ-диапазоне, возрос интерес к волново дно-диэлектрическим структурам [13-17]. Изменение местоположения, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрика в подобных структурах позволяет в широких пределах изменять рабочий диапазон частот, влияющий на сектор сканирования. Кроме того, наличие диэлектрика увеличивает дисперсию системы, уменьшая тем самым необходимый коэффициент частотного перекрытия.

В ряде случаев возможно использование в качестве канализирующей системы змейковых волноводов [18-20] и волноводов сложных сечений (П- и Н-волноводов) [21-25].

Наряду с дисперсионными системами частотное сканирование может быть реализовано также применительно к недисперсионным системам [26-28]. Однако для реализации широкоугольного сканирования в этом случае существенно возрастет коэффициент частотного перекрытия. Анализ частотного сканирования с точки зрения реализации предельных возможностей качания луча при использовании различных канализирующих систем проведен в первой главе.

Частотный способ сканирования свободен от недостатков, присущих фазовому сканированию, но в его традиционной реализации частота используется как управляющий параметр, что является ограничивающим фактором с точки зрения оптимального приема и помехозащищенности. Поэтому разработка способов сканирования, обладающих достоинствами частотного способа и свободных от присущих ему ограничений, является практически важной задачей.

В 1997 году был предложен новый способ электрического сканирования, позволяющий реализовать качание луча без использования фазовращателей при неизменной частоте излучаемого колебания. Суть предложенного способа состоит в суперпозиции волн от двух расположенных в разных точках пространства источников (генераторов), излучающих колебания с различными переменными частотами [33-35]. При этом частоты обоих генераторов изменяются синхронно таким образом, чтобы их разность или сумма оставалась неизменной. Суммарное поле этих источников детектируется на нелинейных элементах, встроенных в излучатели. В результате на выходе нелинейных элементов возникает колебание, содержащее разность и сумму частот первичных источников. Одно из таких колебаний выделяется с помощью полосовых фильтров и излучается в свободное пространство излучателями, настроенными на частоту выделенной комбинационной составляющей. Изменение фазового распределения вдоль линейки излучателей, необходимое для реализации сканирования, создается за счет использования геометрических особенностей цепей запитки излучателей линейки.

Отличительной и важной особенностью этого способа сканирования является сочетание достоинств как фазового (неизменность частоты излучаемого колебания), так и частотного (отсутствие необходимости в фазовращателях) способов. Поскольку в таком способе сканирования используются нелинейные преобразования, он далее для краткости именуется нелинейным сканированием.

Такое нелинейное сканирование было апробировано в системах пространственной запитки линейки излучателей в свободном пространстве (г. Пущино) [36] и микрополосковой линии передачи [37-38].

Основной целью настоящей диссертационной работы является исследование различных схем реализации нового способа сканирования без использования фазовращателей и определение предельных возможностей этого способа в отношении обеспечения максимального сектора сканирования при минимальной ширине полосы используемых частот.

Для достижения указанной цели проведены следующие работы:

1.Проанализированы имеющиеся данные о секторах сканирования в различных канализирующих системах при частотном сканировании.

2.Разработаны принципы нелинейного сканирования и исследованы его возможности при последовательной запитке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка).

3 .Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования (максимальный сектор сканирования, ширина полосы используемых частот первичных источников, максимальное количество излучателей в линейке) при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях.

4.Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных системах.

5.Получены экспериментальные подтверждения возможности реализации нелинейного сканирования в одной из дисперсионных канализирующих систем.

В первой главе диссертационной работы дан краткий анализ основных способов электрического сканирования и имеющихся сведений о предельных секторах сканирования, реализуемого частотным способом. Вторая глава посвящена развитию теории нелинейного сканирования, проведению модельных расчетов и исследованию предельных возможностей нелинейного сканирования при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях. В ней также исследуются предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах. Третья глава посвящена разработке принципов нелинейного сканирования и исследованию его возможностей при последовательной запитке линейки излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при смешанной запитке излучателей линейки. В этой части приведены также результаты экспериментальных исследований по подтверждению возможности реализации нелинейного сканирования применительно к дисперсионной канализирующей системе (полый прямоугольный волновод). В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, и определены перспективы дальнейшего развития нелинейного сканирования.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Новые принципы нелинейного сканирования для вариантов с последовательной запиткой линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, и при смешанной запитке линейки излучателей.

2.Физические и математические модели различных схем нелинейного сканирования и результаты модельных расчетов для варианта с пространственной запиткой эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве.

3.Результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов для варианта с параллельной запиткой и использованием линий задержки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

4 .Экспериментальные результаты по нелинейному сканированию в приемной антенной решетке с дисперсионной канализирующей системой.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Малов, Андрей Владимирович

ЗЛО Выводы

Из результатов теоретических и экспериментальных исследований следует:

1.В волноводных канализирующих системах наиболее оптимальным для максимизации сектора сканирования являются следующие схемы: вариант односторонней запитки волновода с попеременным расположением излучателей вдоль широкой стенки по разные стороны от нейтрали и работе на разностной частоте, а также вариант двухсторонней запитки волновода при работе на суммарной частоте.

2.Наиболее перспективной из волноводных канализирующих систем для нелинейного сканирования является структура из прямоугольного волновода и тонкой пластины из диэлектрика с высоким значением £а расположенной параллельно узким стенкам волновода в плоскости симметрии. Использование такой конструкции позволяет расширить максимальный сектор сканирования за счет расширения рабочей полосы частот, свободной от высших типов колебаний. Подобные структуры обладают, кроме того, значительно меньшими потерями, массой и стоимостью по сравнению с полностью заполненными диэлектриком волноводами.

3 .Использование ребристых структур позволяет реализовать широкоугольное сканирование (вплоть до перекрытия практически полного сектора сканирования) при различных конфигурациях, в частности, при односторонней запитке ребристой структуры и работе на разностной частоте без создания дополнительного фазового набега между соседними излучателями и существенно меньших коэффициентах частотного перекрытия. Однако недостатком подобных систем являются значительно более высокие, чем в волноводе потери.

4.Из исследованных конструкций со смешанной запиткой наилучшими характеристиками в части предельных секторов сканирования обладает конструкция с волноводно-коаксиальной запиткой. Наряду с возможностью реализации сканирования в широком секторе такая конструкция позволяет реализовать нелинейное сканирование при работе на разностной частоте и расположении излучателей по одну сторону от нейтрали. Эти конструкции могут найти применение для решения задач, в которых используются значительно отличающиеся рабочие диапазоны частот первичных генераторов, один из которых является запредельным для волновода.

5.Показана реализуемость нелинейного сканирования с помощью волноводно -щелевой конструкции на основе полого щелевого волновода.

Заключение

Одним из результатов настоящей работы является расширение предельных возможностей электронного способа сканирования с сохранением частоты излучаемого колебания и не требующего использования фазовращателей и схем коммутации - нелинейного сканирования -применительно к пространственной запитке линейки излучателей, расположенной в свободном пространстве и линейкам излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах при различных схемах запитки.

В частности была доказана возможность расширения сектора сканирования <Як=<?>тах-^тт при пространственной запитке линейки излучателей, расположенной в свободном пространстве, вплоть до (80.85)°.

Была также доказана возможность расширения сектора сканирования применительно к конструкции, представляющей собой линейку излучателей, расположенную в недисперсионной канализирующей системе (микрополосковой плате), которая запитывается от первичных генераторов Гх и Г2 переменных частот и /2 с одной стороны. При этом частоты генераторов изменялись таким образом, чтобы их разность - частота излучаемого колебания - оставалась неизменной (Д/^аэпЕф, по низкой частоте /2 осуществлялась синфазная параллельная запитка, а в цепи запитки по высокой частоте были включены линии задержки, обеспечивающие требуемое линейное изменение фазы вдоль линейки излучателей [38].

Была предложена конструкция, предусматривающая запитку линейки излучателей с противоположных сторон, что позволяет исключить требующие использования проволочных перемычек-мостов или подобных конструктивных решений пересечения цепей запитки по высокой и низкой частотам.

Доказана также возможность реализации нелинейного сканирования при суммарной частоте излучаемого колебания (Д+/2=аэпйЗ.

Была разработана модель нелинейного сканирования применительно к ряду дисперсионных систем (волноводно-щелевые конструкции и ребристые структуры). Эти проблемы не рассматривалась ранее ни в нашей стране, ни за рубежом.

Согласно результатам модельных расчетов применительно к канализирующим системам, выполненным на основе полого прямоугольного волновода, с точки зрения максимизации секторов сканирования оптимальными являются 2 варианта: односторонняя запитка волновода при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали при разностной частоте излучаемого колебания и двухсторонняя запитка волновода при суммарной частоте излучаемого колебания.

В работе приведены результаты экспериментальных исследований возможности реализации нелинейного сканирования применительно к вол новодно -щелевой конструкции, выполненной на основе полого прямоугольного волновода.

Одним из перспективных направлений является использование волноводов с тонкой диэлектрической пластиной с высоким значением расположенной параллельно узким стенкам в плоскости симметрии. Подобные конструкции расширяют рабочую полосу частот, обладают большей, по сравнению с полым прямоугольным волноводом, дисперсией, обеспечивая тем самым меньшие коэффициенты частотного перекрытия при практически одинаковых потерях.

В работе была также доказана возможность реализации нелинейного сканирования при "смешанной" запитке линейки излучателей, при которой колебания от первичных генераторов подаются на нелинейные элементы линейки через разные канализирующие системы (волновод и коаксиальную линию или волноводы различных сечений).

На основании анализа результатов модельных расчетов можно заключить, что нелинейное сканирование имеет ряд преимуществ по сравнению с частотным и фазовым, главное из которых возможность широкоугольного качания луча при неизменности частоты излучаемого колебания и без использования фазовращателей и схем коммутации. К главным проблемам следует отнести не слишком высокий КПД конструкции, связанный со сложностью согласования системы волновод-щель-диод, выбором местоположения нелинейных элементов в щели и т.д.

Полученные результаты позволяют надеяться на реализацию широкоугольного сканирования применительно к большим многоэлементным АФАР, используемым в связных и иных системах, при существенном снижении массы конструкции и упрощении управления.

Результаты, полученные в рамках настоящей работы, также определяют ряд направлений дальнейших исследований нелинейного сканирования:

1.Повышение КПД путем выбора или разработки эффективных излучателей и оптимизации конструкций.

2.Реализация нелинейного сканирования при параллельной запитке линейки излучателей с использованием волноводов различных длин и сечений.

3 .Реализация двумерного нелинейного сканирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малов, Андрей Владимирович, 2006 год

1.Современные проблемы антеннонзолноводной техники. Сборник статей под ред. A.A. Пистолькорса. М., Наука, 1967.2 .Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М., ВШ, 1988.

2. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Д.И. Воскресенского. М., "Радио и связь", 1981.

3. Вольперт А.Р. О частотной зависимости ориентации диаграммы направленности в сканирующих антенных решетках с фазируемыми элементами. М., Антенны, вып. 17, изд. "Связь", 1973.

4. Ардабьевский А.И., Новосартов М.Т. Антенны с электрическим сканированием. Современные проблемы антеннонзолноводной техники. Сборник статей. Академия наук СССР. Секция физики. М., Наука, 1967.

5. Ю.Ардабьевский А.И., Бахрах Л.Д, Дерюгин JI.H. Авторское свидетельство №110198 на изобретение "Способ качания луча линейной антенны".

6. Бергер М.Н., Капилевич Б.Ю. Прямоугольные волноводы с диэлектриками. М., Советское радио, 1973 г.

7. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. М., Сов. радио, 1970.

8. Егоров Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы. М. Сов. радио, 1967.

9. М . D anielsgn, R. CBigenssn. "FiBquency scanning ш icrostrip antennas". IEEE Trans.Antennas Piqpagat., M auch 1979.

10. Конструирование и расчет полосковых устройств под ред. И.С. Ковалева. М., Сов. радио, 1974.

11. Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. М. Сов. Радио, 1964.

12. Бахрах Л.Д, Степаненко С. H., Поваренкин H.B. Использование квазиволн для фазирования антенных решеток с произвольным расположением модулей. Успехи современной радиоэлектроники, 7, 1997.

13. Бахрах Л. Д. и др. Новый способ управления диаграммой направленности приемной фазируемой антенной решетки. XXV П радиоастрономическая конференция, т.З, Санкт-Петербург, 1997.

14. Т. Nishio, Y. Wang, Т. Itoh. A frequency-controlled beam-steering array with mixing frequency compensation for multichannel applications. IEEE Trans. Antennas Propagat.,\ol. ,2004.

15. Гоноровский И С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Радио и связь, 1986.

16. Гуткин J1.C. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование. М., Госэнерглиздат, 1953.

17. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И. Вольмана. М., Радио и связь, 1982.

18. Бахрах Л.Д., Малов А.В. Некоторые вопросы частотного сканирования. М., Антенны, 2001, №2.

19. Бахрах Л.Д., Лось В.Ф., Малов А.В., Шаманов А.Н. Частотные свойства излучателей и антенн. Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн". ИРЭМВ. Таганрог, 2001.

20. Малов А.В. Некоторые возможности двухчастотного сканирования. М., Антенны, 2001, №9.

21. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М., ВШ, 1973.

22. Бахрах Л.Д., Малов А.В. Некоторые закономерности двухчастотного сканирования для волноводно-щелевых антенн, выполненных на основе прямоугольных волноводов, частично заполненных диэлектриком. М., Антенны, 2002.