Оптимизация параметров излучателей сверхкоротких импульсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Мещеряков, Иван Иванович

• Мещеряков, Иван Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мещеряков, Иван Иванович

Содержание.

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Моделирование сверхширокополосной системы, излучающей сверхкороткие импульсы.

1.1. Характеристики излучения сверхкоротких импульсов.

1.2. Методы электродинамического моделирования во временной области.

1.3. Задание граничных и начальных условий, расчет рассеянного и излученного поля.

1.4. Моделирование ТЕМ-рупора.

Выводы.

Глава 2. Улучшение характеристик систем излучения СКИ.

2.1. Управление положением главного лепестка импульсной АФАР.

2.2. Влияние параметров ТЕМ-рупора на характеристики излучения СКИ.

2.3. Компенсация неравномерности энергетической диаграммы направленности ТЕМ-рупора.

2.4. Формирование СКИ заданной формы.

Выводы.

Глава 3. Совместная модель генератора СКИ и антенны.

3.1. Генерация сверхкоротких импульсов.

3.2. Представление антенны при совместном моделировании с формирователем СКИ.

3.3. Оптимизация параметров направленного излучателя.

3.4. Оптимизация параметров ненаправленного излучателя.

Выводы.

Глава 4. Моделирование напряжений и токов, наводимых электромагнитным излучением на узлы РЭС.

4.1. Стойкость МШУ на базе ПТШ к импульсным помехам.

4.2. Воздействие электромагнитного излучения СКИ на полосковую линию.

4.3. Представление излучающей и приемной антенны.

4.4. Воздействие электромагнитного излучения СКИ на ТЕМ-рупор.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация параметров излучателей сверхкоротких импульсов»

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния параметров сверхширокополосных (СШП) систем на характеристики излучения сверхкоротких импульсов (СКИ) [21-25, 81-85], разработке методики коррекции формы сверхкоротких импульсов на заданном расстоянии от излучателя, разработке модели, позволяющей учитывать взаимовлияние генератора СКИ и антенны [96-98], а также оценке возможности использования подобных сигналов в приложениях радиоэлектронной борьбы [9,10, 101-108].

Актуальность темы

Исследования, проводимые в данной работе, направлены на повышение эффективности излучения сверхкоротких импульсов сверхширокополосными системами.

Применение сверхкоротких импульсов в ряде приложений сверхширокополосной связи и радиолокации имеет преимущества в сравнении с узкополосными сигналами [1-6, 15, 20]. Излучатели таких сигналов с одной стороны должны обладать минимально возможными размерами, а с другой - обеспечивать приемлемый уровень согласования генератора и антенны, заданное распределение энергии в пространстве. Невысокая средняя мощность сигнала на выходе существующих малогабаритных формирователей приводит к тому, что эффективная генерация и излучение являются целью при разработке излучателей сверхкоротких импульсов.

В качестве характеристик излучателей, применяемых в таких системах, обычно рассматриваются энергетические диаграммы направленности, форма поля в заданных точках пространства, уровень согласования между антенной и генератором, или зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты в полосе, перекрывающей спектр СКИ [2125]. Эти характеристики определяются геометрией антенны и сигналом на выходе формирователя. Можно выделить два пути повышения эффективности излучения сверхкоротких импульсов: оптимизация геометрии антенны, синтез сигнала требуемой формы на выходе генератора.

Так, применение СКИ в импульсных сканирующих антенных решетках имеет особенность, связанную с методом формирования главного лепестка ДН [45-47]. Вместо фазовых сдвигов для каждого элемента подбирается временная задержка таким образом, чтобы в требуемую точку пространства все сигналы пришли синхронно. При этом энергетическая ДН излучателя определяет возможный диапазон управления положением главного лепестка [50, 53, 91]. Характеристики антенны и генератора, как правило, не позволяют получить сигнал требуемой формы на заданном расстоянии от излучателя. В системах с электронным сканированием пространства может возникнуть необходимость в сохранении формы СКИ в определенном угловом диапазоне на заданном расстоянии от антенны [87, 90, 91]. При этом наиболее интересным представляется синтез сигнала исходя из характеристик имеющегося генератора без применения дополнительных источников.

Несмотря на наличие большого количества публикаций, посвященных излучающим сверхкороткие импульсы антеннам, вопросы оптимизации энергетических диаграмм направленности (ДН) для требуемого сигнала и компенсации искажения формы поля на заданном расстоянии от антенны освещены недостаточно.

Проектирование антенны без учета выходных характеристик формирователя не приемлемо, так как оба этих устройства подвержены взаимовлиянию, что сказывается как на форме генерируемого сигнала, так и на характеристиках излучения антенны. Построение совместной схемотехнической модели генератора и антенны представляется необходимым для эффективного излучения сверхкоротких импульсов.

Применение СКИ в системах радиосвязи и радиолокации, а также в системах подавления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) превращает их в помехи, преднамеренно или нет воздействующие на входной радиотракт СШП приемника [99, 100]. Известно, что наиболее чувствительными к подобным воздействиям являются малошумящие усилители (МШУ) [100, 105, 106]. Часто эти помехи напрямую действуют на МШУ, так как в целях повышения чувствительности радиоприемника защитные устройства и фильтры на его входе могут отсутствовать. Воздействие последовательностей СКИ взывают как обратимые, так и необратимые сбои в работе МШУ в зависимости от параметров воздействия. Чем меньше энергия воздействующих импульсов, тем более вероятны именно обратимые отказы, которые могут играть главную роль даже при кратковременных перегрузках [101-109]. Они проявляются в ухудшении функциональных параметров МШУ, что приводит к снижению чувствительности приемника или его некорректной работе. Основу элементной базы МШУ составляют различные виды транзисторов СВЧ. Работа МШУ в присутствии импульсных помех определяется процессами, протекающими в полупроводниковой структуре транзистора. На данный момент в литературе хорошо освещены физические явления в полупроводниковой структуре, вызванные воздействием СКИ [101-110]. Особенностью данных работ является рассмотрение контактного воздействия СКИ на вход МШУ, при котором все эффекты проявляются в чистом виде. На практике необходимо учитывать и тот факт, что форма СКИ изменяется при излучении, распространении и воздействии в виде наводок на узлы РЭС. Ввиду малой средней мощности излучаемого сигнала представляет интерес построение модели, позволяющей оценить уровень напряжений и токов, наводимых электромагнитным излучением СКИ на заданной дистанции от антенны передатчика.

Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных выше задач определяет актуальность тематики данной диссертации.

Целью работы является:

1. Исследование влияния параметров СШП излучателей на характеристики формирования сверхкоротких импульсов.

2. Разработка методики компенсации искажений формы сигнала на заданном расстоянии от излучателя.

3. Разработка совместной модели антенны и генератора, учитывающей их взаимовлияние, для расчета поля во временной области в заданных точках пространства.

4. Исследование воздействия электромагнитного излучения СКИ на узлы РЭС.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:

• разработать электродинамическую модель сверхширокополосной антенны во временной области;

• исследовать влияние геометрических параметров антенн на характеристики излучения;

• оптимизировать геометрию СШП антенны для применения в импульсных сканирующих антенных решетках;

• разработать методику компенсации искажений формы импульсов электромагнитного поля на заданном расстоянии от излучателя;

• разработать совместную модель антенны и генератора, позволяющую рассчитывать составляющие поля в заданных точках пространства;

• исследовать влияние геометрии направленной и ненаправленной антенны на характеристики излучения при совместном моделировании с генератором;

• разработать модель, позволяющую рассчитывать напряжения и токи, наводимые электромагнитным излучением СКИ на узлы РЭС.

Методы исследования

В диссертационной работе использованы методы теории электрических цепей и сигналов, методы математического и компьютерного моделирования, численные методы оптимизации, математический аппарат дифференциальных уравнений, современные методики экспериментальных исследований.

Научная новизна:

1. Разработана методика компенсации искажения формы излучаемых сверхкоротких импульсов.

2. Предложена схемотехническая модель излучателя, учитывающая взаимное влияние антенны и генератора сверхкоротких импульсов.

3. Проведена оптимизация энергетических диаграмм направленности и формы поля в дальней зоне с учётом влияния геометрических параметров сверхширокополосных антенн на характеристики излучения сверхкороткого импульса субнаносекундной длительности.

4. Получены конфигурации направленной и ненаправленной антенн с оптимальными характеристиками излучения для заданного сигнала.

5. Предложена электродинамическая модель приемного тракта, позволяющая оценить форму напряжений и токов, наводимых на узлы радиоэлектронных средств, и характеристики обратимой деградации входного малошумящего усилителя.

Достоверность

Достоверность определяется корректным применением современных математических методов и моделей, совпадением новых результатов с известными в частных случаях, а также соответствием результатов моделирования экспериментальным данным.

Личный вклад

Личный вклад автора состоит в разработке и проведении теоретических и экспериментальных исследований, а так же анализе полученных результатов.

Практическая ценность

Предложена модель ТЕМ-рупора, созданная с использованием разработанного программного комплекса моделирования электродинамических структур во временной области и позволяющая рассчитывать характеристики излучения СКИ.

Предложена методика коррекции искажений энергетической диаграммы направленности ТЕМ-рупора путем изменения формы апертуры.

Разработана методика, позволяющая формировать требуемый сигнал в заданной точке пространства с учетом характеристик излучателя.

Предложены модель генератора сверхкоротких импульсов и сверхширокополосной антенны, учитывающая их взаимное влияние, и алгоритм расчета элементов матрицы 8-параметров, которые позволяют оптимизировать характеристики излучателя на стадии проектирования.

Разработана модель для расчета напряжений и токов, наводимых электромагнитным излучением сверхкоротких импульсов на элементы радиоэлектронных средств.

Результаты работы могут найти практическое применение при проектировании импульсных сканирующих антенных решеток, систем сверхширокополосной связи, радиолокации, радиоэлектронной борьбы и др.

Внедрение научных результатов

Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах, выполнявшихся на кафедре электроники Воронежского государственного университета, «Диффузия-К-ВГУ» (государственный контракт № 64019/36-06), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственный контракт № П1140 и № 14.740.11.1081), а так же в учебном процессе.

Состояние исследуемой проблемы

Сверхширокополосные системы, использующие в качестве информационных сигналов сверхкороткие импульсы субнаносекундной длительности, находят применение в приложениях радиосвязи и радиолокации [1-8, 12-20]. Преимущество таких сигналов в сравнении с узкополосными заключается в их малой длительности и широкой полосе, занимаемой спектром СКИ. Эти свойства способствуют повышению разрешающей способности радиолокатора и увеличению пропускной способности канала связи [11-14, 18-20].

Известно, что характеристики излучения СШП антенны существенно определяются не только ее геометрией, но и формой сигнала на выходе генератора. При этом в общем случае форма СКИ в дальней зоне также зависит от направления излучения [21,22]. Геометрия современных антенн, как правило, такова, что не позволяет получить общие аналитические соотношения. При разработке излучателя СКИ необходимо использовать средства компьютерного моделирования. Наиболее часто используются временные методы моделирования электромагнитных процессов внутри антенны, в частности, метод конечных разностей во временной области (FDTD - finite-difference time-domain method) [27-42]. На сегодняшний день большое количество работ написано по результатам моделирования с использованием метода FDTD и различных его модификаций.

Для излучения СКИ можно предложить различные виды направленных антенн, однако наиболее простой в изготовлении и пригодной для излучения сигналов достаточно больших пиковых мощностей выглядит ТЕМ-рупор [5459, 67-69]. В работах [57, 58, 68, 69] проведено моделирование и оптимизация геометрии ТЕМ-рупора, приводятся конфигурации антенны, при которых уменьшается нижняя граничная частота излучения в сравнении с пирамидальным ТЕМ-рупором. Исследованы частотные ДН и зависимость коэффициента усиления от частоты, но не проведены анализ энергетических ДН и оптимизация параметров с целью улучшения характеристик излучения сверхкоротких импульсов. Применение СШП антенн в импульсных сканирующих антенных решетках предъявляет определенные требования к форме энергетической ДН антенны в секторе качания луча и выявляет необходимость исследования и оптимизации параметров излучателя с целью формирования равномерной энергетической ДН в достаточно широком диапазоне [50].

При использовании СКИ в некоторых приложениях СШП радиолокации искажение формы сигнала в заданном направлении может ухудшить пространственно-временные характеристики системы. Существуют работы, в которых предлагаются способы генерации с использованием суммирования на входе антенны взвешенных взаимно ортогональных базисных функций [43, 87, 89]. Возможно применение фильтров, характеристики и структуры которых описаны в [90, 91]. Также формирование сигнала заданной формы может быть осуществлено с использованием оптических технологий [88]. Однако представляется более удобным построение системы компенсации с использованием в качестве базисных функций сигнал непосредственно с выхода генератора.

В настоящее время наиболее компактны генераторы на основе ДНЗ, выходные сигналы которых, как правило, при длительности 50-500 пс по уровню 0,5 обладают амплитудой 10 - 150 В [96, 97]. В приложениях с повышенными требованиями к габаритам передатчика необходима эффективная генерация и излучение. Нужно учитывать сразу несколько требований к системе: минимально возможные размеры при максимально наилучших характеристиках излучения. Для решения этой задачи необходимо построение модели излучателя, наиболее точно описывающей поведение составляющих систему элементов. Известна модель генератора СКИ на базе ДНЗ, построенная авторами [97]. В этой работе рассматривается формирование импульсов на активную нагрузку номиналом 50 Ом. Модель генератора, нагруженного на антенну, позволила бы оценить форму СКИ в дальней зоне, а также рассчитать характеристики излучения сигнала.

Излучение СКИ приводит к тому, что для многих радиосистем они становятся радиопомехами. Ширина их спектра позволяет проникать на вход усилителей приемников в различном диапазоне. В случае СШП приемника, избирательная часть может вообще отсутствовать. При этом наблюдается самый неблагоприятный вариант воздействия СКИ на МШУ -непосредственно на его вход. Известны работы [101-108], в которых описаны и проанализированы последствия таких воздействий. Возникающие при этом эффекты и характер их протекания в зависимости от длительности и амплитуды воздействующих сигналов могут носить как продолжительный, так и кратковременный характер. Особенностью работ [101-108, 110] является рассмотрение контактного воздействия СКИ на вход МШУ. Однако в них не учитывается тот факт, что СКИ проходит путь, изменяющий его форму, спектральный состав при излучении и распространении. Ввиду малой средней мощности излучаемого сигнала представляет интерес оценка амплитуды, необходимой для проявления эффекта обратимой деградации на заданной дистанции от излучателя, а также разработка модели, позволяющей оценить форму напряжений и токов, наводимых излучением СКИ.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены характеристики излучения СКИ, методы численного анализа сверхширокополосных систем, предложена модель ТЕМ-рупора.

Необходимость рассчитывать энергетические ДН, импульсные характеристики антенны, а также форму поля в ДЗ обуславливает применение численных методов решения уравнений Максвелла во временной области. Рассмотрены особенности современных методов численного моделирования, в частности метода конечного интегрирования и метода конечных разностей во временной области (FDTD - finite-difference time-domain). Ввиду того, что современные системы автоматизированного проектирования не позволяют рассчитывать энергетические ДН и импульсные характеристики антенны без затруднений, в работе предложен программный комплекс моделирования электродинамических структур, разработанный на основе метода конечных разностей во временной области, реализующий эти возможности.

С помощью метода конечных разностей во временной области получена модель СШП ТЕМ-рупора с различными законами распределения волнового сопротивления: линейным, квадратичным и экспоненциальным. Рассчитана зависимость КСВН от частоты на входе антенны. По критерию минимума нижней граничной частоты излучения выбран ТЕМ-рупор с экспоненциальным законом продольного распределения волнового сопротивления. Расчетная зависимость для экспоненциального ТЕМ-рупора сравнивается с измеренными при помощи анализатор цепей Agilent 8714ЕТ данными. Экспериментальная зависимость хорошо совпадает с расчетной для такого типа задач.

Во второй главе диссертационной работы проведено теоретическое исследование влияния геометрических параметров СШП антенны на характеристики излучения СКИ, предложена методика компенсации искажений формы сигнала на заданном расстоянии от излучателя.

Рассмотрено влияние волнового сопротивления у апертуры ТЕМ-рупора, а также угла раскрыва на энергетические ДН, а также форму поля в ДЗ. Показано, что для заданного гауссовского моноцикла возможно увеличение ширины ДН в плоскости XOY как при уменьшении волнового сопротивления у апертуры, так и при увеличении угла раскрыва антенны. Одновременное изменение параметров улучшает результат, однако при этом возникает провал ДН в осевом направлении, причина которого -несинхронное возбуждение апертуры фронтом СКИ. Оптимизация формы апертуры за счет скругления дает возможность получить равномерную ДН в требуемом диапазоне.

Известно, что невозможно точно сгенерировать СКИ субнаносекундной длительности произвольной формы. Данный факт приводит к тому, что на расстоянии от излучателя возникает потребность скомпенсировать искажения, вносимые антенной, или синтезировать заданный сигнал. Предложена методика компенсации искажений при излучении СКИ за счет формирования на входе антенны в заданном направлении требуемого сигнала. Показана практическая возможность его синтеза при использовании в качестве базисных сигналов сверхкоротких импульсов, генерируемых формирователем. Компенсация искажений в этом случае происходит за счет введения для каждого базисного сигнала перестраиваемой линии временной задержки и амплитудного множителя. Предложена методика расчета параметров системы компенсации. Рассмотрен вариант системы с суммированием в ДЗ (в этом случае каждый канал нагружен на отдельную антенну). Проведен анализ влияния разброса величин параметров на формируемый сигнал. Значительные искажения не наблюдаются при отклонении задержек в пределах 5 пс от расчетного значения и множителей -в пределах 10%.

В третьей главе диссертационной работы предложена модель генератора СКИ и антенны излучателя, учитывающая их взаимное влияние, а также алгоритм расчета компонент матрицы ^-параметров, представляющей антенну. С использованием модели проведена оптимизация характеристик ТЕМ-рупора и планарного диполя.

Проводится подстройка выходной емкости генератора для достижения максимальной амплитуды генерируемых импульсов на активной нагрузке 50 Ом. Для этого используется модель генератора, реализованная в пакете схемотехнического проектирования Ansoft Designer.

При схемотехническом моделировании излучателя требуется получить не только сигнал на выходе генератора, но и форму СКИ на заданном расстоянии от антенны. Для современных систем автоматизированного проектирования это нетривиальная задача, так как в одном проекте требуется совместить вычисление напряжений и токов с напряженностью поля. Рассматривается представление антенны в виде матрицы S-параметров. Предложен алгоритм расчета компонент матрицы, позволяющий при схемотехническом моделировании получить не только сигнал на выходе генератора, но и форму импульса на заданном расстоянии от излучателя.

Рассмотрена задача улучшения характеристик излучения направленной антенны с использованием предложенной модели. Для ТЕМ-рупора проведена оптимизация профиля с целью получить наибольший размах сигнала в ДЗ и наименьшую ширину энергетических ДН. Для планарного диполя оптимизируются геометрические размеры.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены результаты экспериментальных данных по контактному воздействию униполярных СКИ на сверхширокополосный малошумящий усилитель. Предложена модель, позволяющая рассчитывать напряжения и токи, наводимые электромагнитным излучением СКИ на узлы РЭС.

Контактное воздействие серии СКИ на вход МШУ может приводить к обратимой деградации его функциональных характеристик, в частности, коэффициента усиления (КУ). Во время воздействия происходит его уменьшение, а после снятия - постепенное восстановление до прежнего значения. Количественно это явление характеризуется с помощью коэффициента обратимой деградации К0д, определяемого как отношение мощности полезного сигнала в присутствии СКИ помехи к мощности без нее. Знание параметров серии импульсов (частота повторения, амплитуда) и величины К0д, позволяет оценить возможные результаты воздействия электромагнитного излучения СКИ.

Рассмотрено решение задачи воздействия СКИ на МШУ, расположенный после приемного ТЕМ-рупора, с использованием предложенного программного комплекса. Задача разбивается на два этапа. Первый - моделирование излучения заданного сигнала в требуемую точку пространства. Второй этап - решение задачи облучения исследуемого объекта и расчета напряжения на выходе антенны. В качестве источника выступает плоская электромагнитная волна, распространяющаяся внутри счетного объема. Учитывая, что приемник располагается в ДЗ излучателя, рассчитывается величина напряжения на выходе генератора, необходимая для достижения Код = -1 дБ для МШУ на базе транзистора ЗП-325А-2 при выбранных параметрах серии СКИ на заданном расстоянии между антеннами. Аналогичное моделирование проведено для воздействия СКИ на полосковую линию.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Программный комплекс моделирования электродинамических структур во временной области.

2. Модель СШП ТЕМ-рупора, а также результаты теоретического и экспериментального исследования его характеристик.

3. Методика компенсации искажений формы СКИ на заданном расстоянии от излучателя.

4. Совместная схемотехническая модель генератора СКИ и антенны излучателя, позволяющая учитывать их взаимное влияние.

Апробация работы

Основные материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII, XVIII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 г., соответственно.

XI Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Екатеринбург, 2012г.

67 Научная сессия РНТОРЭС им. Попова, посвященная Дню радио, г.Москва, 2012 г.

10-й Международная научная конференция и школа-семинар «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Таганрог, 2006 г.

Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные исследования и разработки в области информационных технологий и связи», г. Воронеж, 2012 г.

Научных сессиях Воронежского государственного университета, г. Воронеж, 2011, 2012 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах [7, 75-86, 98, 101-103]. Из них 5 работ [78, 80, 84, 86, 102] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций основных результатов диссертаций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований. Объём диссертации составляет 150 страниц, включая 83 иллюстрации.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Мещеряков, Иван Иванович

Выводы

1. Рассмотрен эффект обратимой деградации характеристик МШУ под воздействием серии видеоимпульсов. Показана необходимость в моделировании воздействия электромагнитного излучения СКИ на узлы РЭС.

2. Предложена модель на базе разработанного программного комплекса, позволяющая рассчитывать напряжения и токи, наводимые на узлы РЭС электромагнитным излучением СКИ.

3. Рассмотрено применение полученной модели для полосковой линии и направленной антенны. Рассчитаны значения амплитуды на выходе генератора излучателя, необходимые для достижения К0д=-1 дБ для МШУ, построенного на базе транзистора ЗП-325А-2.

Заключение

1. Проанализированы характеристики излучателей СКИ, выявлены требования к методам математического моделирования.

2. Рассмотрены методы электродинамического моделирования во временной области. Разработан программный комплекс моделирования электродинамических структур на базе метода конечных разностей во временной области, позволяющий рассчитывать характеристики излучателей СКИ.

3. Предложена модель ТЕМ-рупора, проведен расчет зависимости КСВН от частоты на входе антенны. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными для такого типа задач.

4. Получена конфигурация ТЕМ-рупора для излучения СКИ заданной формы в составе импульсной сканирующей антенной решетки. Параметры антенны позволяют осуществлять сканирование пространства без изменения характеристик системы в диапазоне от -50° до +50°.

5. Предложена методика компенсации искажений СКИ, позволяющая формировать сигнал требуемой формы на заданном расстоянии от антенны. Рассчитаны параметры системы компенсации с шестью каналами для ТЕМ-рупора.

6. Рассмотрена модификация системы компенсации на основе импульсной антенной решетки из 4 ТЕМ-рупоров. Нивелировано взаимное влияние излучателей. Рассчитаны параметры системы компенсации для каждого канала.

7. Проанализировано влияние разброса величин этих параметров на формируемый сигнал.

8. Предложена модель, позволяющая учитывать взаимное влияние генератора СКИ и антенны, и алгоритм формирования матрицы параметров, представляющей антенну.

9. Получены параметризированные модели для генератора совместно с направленной (ТЕМ-рупор) и ненаправленной (планарный диполь) антенной.

10. Произведена оптимизация профиля ТЕМ-рупора для достижения наилучших направленных свойств при излучении заданного СКИ с учетом характеристик генератора.

11. Оптимизированы размеры СШП планарного диполя с целью улучшения характеристик излучения входного сигнала.

12. Рассмотрен эффект обратимой деградации характеристик МШУ под воздействием серии видеоимпульсов. Показана необходимость в моделировании воздействия электромагнитного излучения СКИ на узлы РЭС.

13. Предложена модель на базе разработанного программного комплекса, позволяющая рассчитывать напряжения и токи, наводимые на узлы РЭС электромагнитным излучением СКИ.

14. Рассмотрено применение полученной модели для полосковой линии и направленной антенны. Рассчитаны значения амплитуды на выходе генератора излучателя, необходимые для достижения АГ0д=-1 дБ для МШУ, построенного на базе транзистора ЗП-325А-2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мещеряков, Иван Иванович, 2012 год

1. Федотов Д.В. Сигналы, используемые в СШП радиосистемах / Д.В. Федотов, А. А. Судаков // Наукоемкие технологии, 2005. № 7. - С. 15-21.

2. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи / X. Ф. Хармут. М.: Радио и связь, 1985. - 376 с

3. Финкельштейн М.И. Подповерхностная радиолокация Текст. / М.И. Финкельштейн [и др.]; под ред. М. И. Фипкельштейна. М.: Радио и связь, 1994.-216 с.

4. Астанин JI. Ю. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений / JI. Ю. Астанин, А. А. Костылев М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.

5. Taylor J.D. Introduction to Ultra-wideband Radar Systems Text. / James D. Taylor. CRC press Boca Raton; Ann Arbor, London; Tokyo; New-York, 1995.

6. Бункин Б.В. Особенности, проблемы и перспективы субнаносекундных видеоимпульсных PJIC / Б. В. Бункин и др. // Радиотехника, 1995. № 4-5. -С. 128-133.

7. M.Ghavami Hermite function based orthogonal pulses for UWB communications Text. / M. Ghavami, L.B. Michael, R. Kohno // Proc. WPMC, 2001.-P. 437-440.

8. Радзиевский В. Г. Современная радиоэлектронная борьба. Вопросы методологии / В.Г. Радзиевский; под ред. В. Г. Радзиевского. М.: Радиотехника, 2006. - 421с.

9. Радзиевский В. Г. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех / В. Г. Радзиевский, П. А. Трифонов. М.: Радиотехника, 2009. - 288 с.

10. Barrett T.W. History of Ultra-WideBand (UWB) Radar & Communications: Pioneers and Innovators. Text. / Terrence W. Barrett // Progress in Electromagnetics Symposium (PIERS 2000), 2000.

11. Geophysical survey system employing electromagnetic impulses Text. : US Patent 3806795 / Morey R.N.: April, 1974.

12. Лазоренко О. В. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. 1. Основные понятия, модели и методы описания Текст. / О. В. Лазоренко, Л. Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. 2008. - т. 13. - № 2. - С. 166-194.

13. Лазоренко О. В. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. 2. Методы анализа и применение Текст. / О. В. Лазоренко, Л. Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. 2008. - т. 13. - № 4. - С. 270322.

14. Анищенко Л. Н. Теоретические основы биорадиолокации Текст. / Л. Н. Анищенко, С. И. Ивашов, В. Б. Парашин // Биомедицинская радиоэлектроника. 2007. -№10. - С. 33-41.

15. Кравченко В.Ф., Чуриков Д.В. Цифровая обработка и спектральное оценивание сверхширокополосных сигналов атомарными функциями и вейвлетами Текст. / В. Ф. Кравченко, Д. В. Чуриков // Успехи современной радиоэлектроники. 2008. -№8.

16. PulsON Technology. Time Modulated Ultra-Wideband For Wireless Application, 2000 Electronic resource. : www.timedomain.com

17. Шахнович И. Сверхширокополосная связь. Второе рождение? / И. Шахнович. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ. - 2001. - №4. - С.8-15.

18. Щербак Н. Сверхширокополосная радиолокация. Что это такое? / Н. Щербак. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002 -№3 - С.38-46.

19. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности. // Радиотехника и электроника. 2009. - т.54. - №1. - с. 5-31.

20. Иммореев И.Я. Излучение сверхширокополосных сигналов Текст. / И.Я. Иммореев, А.Н, Синявин // Антенны, 2001. Вып. 1(47). - с. 8-16.

21. Авдеев В.Б. Энергетические характеристики направленности антенн и антенных систем при излучении и приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов Текст. // Антенны, 2002. Вып. 7(62). - с. 5-27.

22. B.Scheers. Time-domain simulation and characterisation of ТЕМ horns using a normalised impulse response Text. / B.Scheers, M.Acheroy and A.Vander Vorst // IEE Proc.-Microw. Antennas Propag. 2000. Vol. 147. - No. 6. - pp. 463-468.

23. Oliver E. Allen. Time-Domain Antenna Characterizations Text. / Oliver E. Allen, David A. Hill and Arthur R. Ondrejka // IEEE Trans, on EM Compatibility, 1993.- vol. 35.-no.3.-pp. 339-346.

24. Shlivinski, Amir. Antenna Characterization in the Time Domain Text. / Amir Shlivinski, Ehud Heyman, Raphael Kastner // IEEE Trans. Antennas Propagat., 1997. -vol. 45. -no. 7. -pp. 1140-1149.

25. Курушин A.A. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio / A.A. Курушин, A.H. Пластиков M. Издательство МЭИ, 2010. - 160 с.

26. Решение уравнений Максвелла методом FDTD Electronic resource. : www.zfdtd.narod.ru

27. Taflove, Allen. Computational electrodynamics: the finite-difference timedomain method.-2nd ed./ Allen Taflove, Susan C. Hagness. Artech House. Boston, London, 2000.

28. Davidson, David B. Computational electromagnetics for RF and microwave engineering. Cambridge University Press, 2005.

29. Yee K.S. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems involving Maxwell's Equations in Isotropic Media Text. // IEEE Trans. Antennas Propagat., 1966. -vol. 14. no. 5. -pp. 302-307.

30. Baron J. FD-TD Modeling of Digital Signal Propagation in 3-D Circuits With Passive and Active Loads Text. / M. Piket-May, A. Taflove, J. Baron II IEEE Trans. On Mirowave Theory and Techiques, 1994. vol.4. - no. 8. - pp. 15141523.

31. Maloney J.G. A Simple FDTD Model for Transient Excitation of Antennas by Transmission Lines Text. / J.G. Maloney, K.L. Shlager, G.S. Smith // IEEE Trans. Antennas Propagat, 1994. vol. 42. - no. 2. - pp. 289 - 292.

32. Luebbers R.J. A Simple Feed Model that Reduces Time Steps Needed for FDTD Antenna and Microstrip Calculations Text. / R.J. Luebbers, H.S. Langdon // IEEE Trans. Antennas Propagat, 1996. vol. 44. - no. 7. - pp. 1000 - 1005.

33. Berenger J.-P. A Perfectly Matched Layer for the Absorption of Electromagnetic Waves Text. // J. Сотр. Phys., 1994. vol. 114. - pp. 185200.

34. Berenger J.-P. Perfectly Matched Layer for the FDTD Solution of Wave Structure Interaction Problems Text. // IEEE Trans. Antennas Propagat., 1996. -vol. 44.-no. 1.- pp. 110-117.

35. Prescott D.T. Reflection Analysis of FDTD Boundary Conditions—Part II: Berenger's PML Absorbing Layers Text. / D.T. Prescott, N.V. Shuley // IEEE Trans. On Mirowave Theory and Techiques, 1997. vol. 45. - no. 8. - pp. 1171 -1178.

36. Боголюбов A.H. Численное моделирование двумерных фотонных кристаллов Текст. / А.Н. Боголюбов, И.А. Буткарев, Ю.С. Дементьева // «Журнал радиоэлектроники», 2006. №11. - с. 26-37.

37. Anantha V. Efficient Modeling of Infinite Scatterers Using a Generalized Total-Field/Scattered-Field FDTD Boundary Partially Embedded Within PML Text. / V. Anantha, A. Taflove // IEEE Trans. Antennas Propagat., 2002. vol. 50.-no.10.- pp.1337- 1349.

38. Luebbers R.J. A Finite-Difference Time-Domain Near Zone to Far Zone Transformation Text. / R.J. Luebbers, K.S. Kunz, M. Schnider, F. Hunsberger // IEEE Trans. Antennas Propagat., 1991. vol. 39. - no. 4. - pp. 429^133.

39. Luebbers R.J. A Two-Dimensional Time-Domain Near-Zone to Far-Zone Transformation Text. / R.J. Luebbers, D. Ryan, J. Beggs // IEEE Trans. Antennas Propagat., 1992. vol. 40. -no. 7. - pp. 848 -851.

40. Ramahi О. M. Near- and far-field calculations in FDTD simulations using Kirchhoff surface integral representation // IEEE Trans. Antennas Propagat., 1997.- vol. 45. pp. 753 - 759.

41. Ciattaglia M. Time Domain Synthesis of Pulsed Arrays Text. / M. Ciattaglia, G. Marrocco // IEEE Trans. Antennas and Propagations 2008. - V. AP-56. - №7. -P. 1928.

42. L. Desrumaux, A. Godard et all. An Original Antenna for Transient High Power UWB Arrays: The Shark Antenna [Text] / L. Desrumaux, A. Godard [et al.] // IEEE Trans. Antennas and Propagations. 2010. - V. AP-58. - №8. - P. 25152522.

43. Chia M.Y.W. Electronic Beam-Steering Design for UWB Phased Array Text. / Michael Yan-Wah Chia, Teck-Hwee Lim [et al.] // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, 2006. vol. 54. - no. 6. - pp. 2431 - 2438.

44. Lei C. Parallel FDTD analysis of large-scale ridged ТЕМ horn antenna array Text. /Chang Lei, Liao Cheng [et al.] // Microwave Technology and Computational Electromagnetics, 2009. pp. 344 - 347.

45. Бахрах Л.Д. Характеристики направленности сканирующих антенных решеток, возбуждаемых сверхкороткими импульсами, имеющими «джиттер» Текст. / Л.Д. Бахрах, О.С. Литвинов // Антенны. 2003. - №3-4.

46. Воскресенский Д.И. Тенденции развития широкополосных фазированных антенных решеток (обзор работ) Текст./ Д.И. Воскресенский, Ю.В. Котов, Е.В. Овчинникова // Антенны. 2005. -№11,- с.7-21.

47. Курочкин А.П. Особенности пространственного формирования энергетических ДН видеоимпульсными сканирующими антенными решетками с наносекундными излучателями Текст. / А.П. Курочкин, В.Ф. Лось, В.А. Стрижков // Антенны. 2007. - №1(116). - с.45-54.

48. Гурфинкель Ю.Б. Цифровая система управления лучом передающей видеоимпульсной сканирующей антенной решетки Текст. / Ю.Б. Гурфинкель, И.А. Колесников, А.П. Курочкин [и др.] // Антенны. 2009. -№2(141). -с.10-19.

49. Волоконно-оптические диаграммообразующие схемы сверхширокополосных фазированных антенных решеток СВЧ- и ММ-диапазонов Текст. // Антенны. 2006. - №9(112). - с.37-60.

50. Лаговский Б.А. Излучение сверхкоротких импульсов антенными решетками с учетом взаимовлияния элементов Текст. // Антенны. 2009. -№9(148).-с.29-36.

51. Shlager К. L. Accurate Analysis of ТЕМ Horn Antennas for Pulse Radiation Text. / K. L. Shlager, G. S. Smith and J. G. Maloney // IEEE Trans, on Electromagnetic Compatibility, 1996 . -vol. 38. no. 3. - pp. 414-423.

52. Kolokotronis D.A. Design of ТЕМ Horn Antennas for Impulse Radar Text. / D.A. Kolokotronis, Y. Huang, J.T. Zhang // High Frequency Postgraduate Student Colloquium, 1999. pp. 120-126.

53. Handbook of antennas in wireless communications. Edited by Lai Chand Godara. CRC Press. Boca Raton, London, New York, Washington. - 2002.

54. Yarovoy A. G.The Dielectric Wedge Antenna Text. / A. G. Yarovoy, A. D. Schukin, I. V. Kaploun, L. P. Ligthart // IEEE Trans. Antennas Propagat., 2002. -vol. 50.-no. 10.-pp. 1460-1472.

55. Malherbe J.A.G. Superelliptic ТЕМ Horn Text. // Proceedings of the 40th European Microwave Conference, 2010. pp. 735 - 738.

56. Gueguen E. A low cost UWB Printed Dipole Antenna with High Performances Text. / E. Gueguen, F. Thudor, P. Chambelin // Conference Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Ultra-Wideband. -Zurich. -Sept. 5-8. -2005. pp. 89 - 92.

57. Chen Z. Small Printed Ultrawideband Antenna with Reduced Ground Plane Effect Text. / Z. Chen, T.S.P. See, X. Qing // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007. Vol. 55. - No. 2. - pp. 383 - 388.

58. A. H. M. Zahirul Alam Design of a Tuning Fork type UWB Patch Antenna Text. / A. H. M. Zahirul Alam, Rafiqul Islam, and Sheroz Khan // World Academy of Science, Engineering and Technology, 2007. pp . 56-59.

59. Wu Q. Printed Omni-Directional UWB Monopole Antenna With Very Compact Size Text. / Qi Wu, Ronghong Jin, Junping Geng and Min Ding // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008. Vol. 56. - No. 3. - pp. 896 -899.

60. Liu J. A Printed Elliptical Monopole Antenna With Modified Feeding Structure for Bandwidth Enhancement Text. / Jianjun Liu, Shunshi Zhong, and Karu P. Esselle // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011. Vol. 59.-No. 2.-pp. 667-670.

61. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ, М.: Высшая школа, 1970.- т. 1.440 с.

62. Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. // М.: Радио и связь, 1985.

63. Анцев Г.В. Антенны для сверхкороткоимпульсных систем Текст. / Г.В. нцев [и др.] // Радиолокация, навигация, связь : VIII Международ, науч.-техн. конф., г. Воронеж, 18-20 апр. 2002 г. — Воронеж, 2002 .— Т. 2. С. 15551564.

64. Ашихмин A.B. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля: Монография. М.: Радио и Связь, 2005. 486 с.

65. Зайцев А. В. Метод расчета сверхширокополосной рупорной антенны для априори сигнала Текст. // Успехи современной радиоэлектроники. -2009. -№ 1 -2.-с. 147-155.

66. Бахрах Л.Д. Перспективы разработок антенн, излучающих сверхкороткие импульсы Текст. / Л.Д. Бахрах, О.С. Литвинов, Н.Я. Морозов // Антенны. 2006. - №7. - с.85.

67. Лось. В.Ф. Оптимизация геометрических параметров антенн с использованием модифицированного метода Тэгучи Текст. / В.Ф. Лось, И.О. Прохоров // Антенны. 2010. - №1. - с.38-44.

68. Болов Р.Б. Сверхширокополосные излучатели для сканирующей видеоимпульсной антенной решетки Текст. / Р.Б. Болов, А.П. Курочкин, В.Ф. Лось [и др.] // Антенны. 2010. - №2. - с.25-30.

69. Лось. В.Ф. Об электрических размерах антенн: перспективы миниатюризации Текст./ В.Ф. Лось, А. Н. Шаманов // Антенны. 2011. -№10. -с.88-94.

70. Костиков Г.А. Энергетические характеристики антенны Вивальди в режиме излучения негармонического сигнала Текст. / Г. А. Костиков, Ю. П. Саломатов, М. И. Сугак // Антенны. 2012. - №2. - с.20-27.

71. Бобрешов, А. М. Анализ ТЕМ-рупорной антенны с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD) и метода конечных интегралов (FIT) во временной области Текст. / A.M. Бобрешов, И.И.

72. Мещеряков, Г.К. Усков // Радиолокация, навигация, связь : XV Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 14-16 апр. 2009 г. — Воронеж, 2009 .— Т. 1. -С. 427-433.

73. Бобрешов, А. М. Оптимизация геометрических размеров ТЕМ-рупорной антенны для излучения сверхкоротких импульсов Текст. / A.M. Бобрешов, И.И. Мещеряков [и др.] // Антенны .— 2009 .— Вып. 6(145). С. 80-83.

74. Бобрешов, А. М. Анализ ТЕМ-рупорной антенны с помощью метода конечных разностей во временной области Текст. / A.M. Бобрешов, И.И. Мещеряков, Г.К. Усков, Е.А. Руднев // Антенны .— 2011 .— № 4. С. 60-63.

75. Бобрешов A.M. Оптимизация угла раскрыва ТЕМ-рупора для эффективного излучения сверхкоротких импульсов Текст. / A.M. Бобрешов, И.И. Мещеряков, Г.К. Усков // Радиотехника и Электроника. — 2012. — Т.57. — № 3. — С. 320.

76. Бобрешов A.M. Построение модели излучения сверхкоротких импульсов сверхширокополосным ТЕМ-рупором с помощью метода конечных разностей во временной области Текст. / A.M. Бобрешов, И.И. Мещеряков [и др.]// Радиотехника. 2012. - №8. - с. 49-54.

77. Marrocco G. Hermite-Rodriguez UWB Circular Arrays Text. / G. Marrocco, G. Galletta // IEEE Trans. Antennas and Propagations 2010. - V. AP-58. - №2. -P. 381.

78. McKinney J.D. Compensation of the Effects of Antenna Dispersion on UWB Waveforms via Optical Pulse-Shaping Techniques Text. / J.D. McKinney, A.M. Weiner // IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, 2006. vol. 54.-no. 4.-pp. 1681 - 1686.

79. Tamas R.D. Time-Domain Pulse-Matched Synthesis of Ultra-Wide Band Antennas Text. / R. D. Tamas, G. Caruntu // Antenna Technology (iWAT), 2011 International Workshop, 2011. pp.171 - 175.

80. Бахрах Л.Д. Методы коррекции сигналов антенн сверхкоротких импульсов Текст. / Л.Д. Бахрах, М.Я. Израилович// Антенны. 2002. - №5. -с.26-33.

81. Кириллов С.Н. Синтез формы сверхширокополосного сигнала излучения, робастного к искажениям сигнала возбуждения антенны Текст. / С.Н. Кириллов, А.В. Корниенко // Антенны. 2006. - №2(105). - с. 19-22.

82. Месяц, Г.А. Пикосекундная электроника больших мощностей / Месяц Г.А., Яландин, М.И. // Успехи физических наук. 2005. Т. 175. № 3. С. 225246.

83. Kardo-Sysoev A.F. Generation and Radiation of UWB-signals / A.F. Kardo-Sysoev //33rd European Microwave Conference Munich 2003 P. 845-848

84. Pulse Power Generation in Nano- and Subnanosecond Range by Means of Ionizing Fronts in Semiconductors: The State of the Art and Future Prospects / Grekhov I.V. // IEEE transactions on plasma science, vol. 38, no. 5, may 2010, P.l 118-1123

85. H.T. Friis Analysis of harmonic generator circuits for step recovery diodes / Friis H.T. // Proc. IEEE, vol. 55, no. 7, 1967 P. 1192-1194

86. Бобрешов А. М. Генерация сверхкоротких импульсных сигналов Текст. / A.M. Бобрешов, Ю.И. Китаев, В.А. Степкин, Г.К. Усков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, том 14, №3, 2011 С. 103-108

87. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи Текст. / Д. Уайт; пер. с англ.; под ред. А. И. Сапгира; комментарии А. Д. Князева. М. : Сов. радио, 1977. - 348 с.

88. Владимиров В. И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем Текст. / В. И. Владимиров [и др.]; под ред. Н. М. Царькова. М. : Радио и связь, 1985. - 272 с.

89. Бобрешов А. М. Деградация GaAs НЕМТ-транзисторов под воздействием видеоимпульсов сверхкороткой длительности / А. М. Бобрешов и др. // Радиолокация, навигация, связь : XIII Междунар. науч.-техн. конф. 2007. - т. 2. - С. 1506-1510.

90. Бобрешов А. М. Динамический диапазон по блокированию усилителя на GaAs ПТШ при гармонических и импульсных помехах Текст. / A.M. Бобрешов [и др.] // 63 Научная сессия, посвященная Дню радио. 2008. - С. 272-274.

91. Терехов В. А. Влияние сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения на параметры структур металл-диэлектрик-полупроводник / В. А. Терехов // Физика и Техника Полупроводников. 2004. - №12. - С. 1435— 1438.

92. Бобрешов А. М. Автоматизированный измерительный стенд для оценки стойкости радиоэлектронной аппаратуры к воздействию сверхкоротких импульсных помех Текст. / A.M. Бобрешов [и др.] // Радиотехника, №8, 2011 С. 54-57