Особенности построения широкодиапазонной системы распределения СВЧ-сигнала для фазированных антенных решеток бортовых РЛС с высокой энергетической эффективностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Епишкина, Виктория Николаевна

• Епишкина, Виктория Николаевна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Епишкина, Виктория Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ВРС В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ ДЛЯ ФАР С ВЫСОКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Анализ известных методов математического моделирования ВРС и особенностей их использования в широком диапазоне частот.

1.3. Анализ специальных алгоритмов математического моделирования ВРС для широкого диапазона частот.

1.4. Выводы.

Глава 2. СОЗДАНИЕ ШИРОКОДИАПАЗОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ

БАЗЫ ВРС И ЕЕ БАЗОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исследование способов совершенствования НО.

2.3. Исследование способов увеличения диапазонности балансных восьмиполюсников.

2.4. Исследование в широком диапазоне частот вспомогательной элементной базы.

2.5. Выводы.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ ВРС

С ВЫСОКИМ КПД.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Исследование способов увеличения диапазонности ВРС.

3.3. Выводы.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ ВРС

ДЛЯ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ФАР, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ СНИЖЕНИЕ УБЛ СУММАРНО-РАЗНОСТНОЙ ДН В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Особенности оптимизации ВРС для малоразмерных бортовых

4.3. Сохранение оптимизации ВРС в широком диапазоне частот.

4.4. Выводы.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ ВРС.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Экспериментальное исследование допустимости использования энергетического способа расчета при соединении функцианальных узлов (ГР и линеек ВРС) в составе ВРС в широком диапазоне частот.

5.3. Экспериментальный анализ широкодиапазонных НО и созданного на их основе линейного распределителя.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности построения широкодиапазонной системы распределения СВЧ-сигнала для фазированных антенных решеток бортовых РЛС с высокой энергетической эффективностью»

Современный радиолокационный прицельный комплекс (РЛПК) должен обладать рядом отличительных боевых и функциональных возможностей, в значительной степени определяющих выбор основных принципов построения составных частей РЛПК, включая антенну. К числу этих качеств относятся:

- многоцелевая работа в режимах обзора и сопровождения целей в широком секторе сканирования (до ±60° и выше);

- излучение и прием зондирующих сигналов в Х-диапазоне волн в диапазоне частот 10%^ и более;

- большая дальность обнаружения воздушных и наземных целей в условиях естественных и искусственных помех.

Совокупности перечисленных требований в полной мере отвечают только радары с электронным управлением лучом. Именно поэтому в последние годы разработчики и производители радиолокационных комплексов (РЛК) и антенн так много внимания уделяют решению теоретических вопросов построения и технологии антенных систем с электронным управлением лучом (АС с ЭУЛ) [1-9].

Из всех возможных вариантов радаров наиболее сложным и противоречивым с точки зрения проектирования и реализации в производстве являются системы управления вооружением (СУВ) истребителей [10]. Это вызвано тем, что на борту истребителя в максимально ограниченном объеме и с жесткой регламентацией по массе и энергопотреблению требуется обеспечить электронное управление лучом с характеристиками излучения, превосходящими другие применения АС с ЭУЛ, в более широком рабочем диапазоне частот, с конструкторским выполнением, отвечающим требованиям технологии массового производства. Решение этой технически сложной, противоречивой и чрезвычайно актуальной с точки зрения обеспечения боевой эффективности и живучести авиационного комплекса задачи найдено в двух основных вариантах. Первый из них основан на технологии пассивных фазированных антенных решеток (ФАР) с волноводной распределительной системой (ВРС): СУВ «Заслон» истребителя МИГ-31, радиолокационная станция управления (РЛСУ) «Барс» истребителя СУ-30, РЛПК «Оса» для легких фронтовых истребителей, РЛСУ «Ирбис» истребителя СУ-35. Второй - на технологии активных ФАР, использующей в приемо-передающих модулях МИС СВЧ на основе ОаАэ или других структурах материалов группы АЗВ5. Антенны этого направления находятся на начальном этапе создания массовых экономически оправданных технологий и реализаций всех заданных боевых режимов. Тем не менее такие важные авиационные комплексы как Б-22 и Б-35 (США), перспективный авиационный комплекс фронтовой авиации (ПАК ФА) (Россия) выполняются на основе АФАР. Между обоими направлениями в технике АС с ЭУЛ нет принципиальных противоречий и для каждого из них есть наиболее благоприятные (оправданные применения) [И]. Важным обстоятельством является то, чтобы как пассивная так и активная фазированные антенные решетки соответствовали заданным техническим требованиям и формировали в радаре весь требуемый комплекс характеристик.

Известные разработки ОАО «НИИП» (СУВ «Заслон» с ФАР Б1.01М, РЛСУ «Барс» с ФАР Н11.01.01М и др.), где выполняется настоящая диссертационная работа, по параметру высокой энергетической эффективности превосходят все отечественные и зарубежные аналоги в (1.5. 1.7) раза. Однако это поколение бортовых ФАР, обладая таким качеством, работоспособно в сравнительно узком рабочем диапазоне частот :£о±(2.5.3.5)%. В этой связи на современном этапе все более актуальным становится расширение функциональных задач бортовой радиолокационной станции (БРЛС): повышение помехозащищенности, обеспечение электромагнитной совместимости, интеграция различных составных частей комплекса бортового оборудования (КБО), например радиолокационная система (РЛС) и комплекс радиоэлектронной борьбы (КРЭБ) и др. - что ставят совершенно новую проблему достижения высокой энергетической эффективности ФАР в сочетании со значительным (до несколько десятков процентов) расширением диапазона рабочих частот [11-17].

В работе [18] проблема расширения диапазона излучения выделена как одна из важнейших для настоящего времени. Здесь также обозначена потребность в широкополосных, диапазонных и сверхширокополосных ФАР, обеспечивающих работу в диапазоне, составляющем несколько октав и более. Для обозначения отличия таких ФАР между собой приводятся определения каждой из них. Под широкополосными ФАР понимают решетки с мгновенной полосой пропускания, а под диапазонными - решетки с настройкой фазовых характеристик при изменении рабочей частоты. При этом в широкополосной системе основным источником искажений являются фазовые характеристики ВРС, а в широкодиапазонной - амплитудные. Данная диссертационная работа посвящена диапазонным ФАР, энергетическая эффективность и диапазон частот которой в значительной степени определяется системой распределения СВЧ-сигнала.

Объектом настоящей диссертационной работы является строчно-столбцовая волноводная распределительная система ФАР Х-диапазона, включающая в себя горизонтальные линейки и запитывающий их вертикальный Главный распределитель (ГР), которые в совокупности формируют заданное амплитудное распределение в апертуре бортовой ФАР и требуемое фазовое распределение для моноимпульсной пеленгации.

Предмет исследования - свойства ВРС и основные ее параметры, определяющие высокую энергетическую эффективность ФАР в широком диапазоне частот ~ 40%^.

Целью работы является разработка теоретических и инженерных основ увеличения рабочего диапазона частот ВРС до 40%^ и более в сочетании с обеспечением высокой энергетической эффективности в составе бортовой ФАР.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены следующие задачи исследования:

1. Исследование ВРС и входящей в нее элементной базы в широком диапазоне частот.

2. Разработка метода математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот.

3. Создание усовершенствованной элементной базы для ВРС, работающей в широком диапазоне частот.

4. Исследование особенностей создания ВРС на основе традиционной и усовершенствованной элементной базы в широком диапазоне частот.

5. Создание ВРС для моноимпульсной ФАР, обеспечивающей снижение УБЛ диаграммы направленности по разностному каналу при сохранении характеристик суммарного канала в расширенном диапазоне частот.

6. Экспериментальное подтверждение проведенных в диссертации теоретических исследований.

Решение поставленных задач усложняется, когда требуется создать широкодиапазонную ВРС с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) для малоразмерных ФАР с диаметром апертуры ~10А,.12А, (ФАР «Скат-р> для РЛПК «Оса»). Такая проблема связана с невозможностью порой в линейных распределителях с малым количеством ответвленных каналов (N=6.10) реализовать направленные ответвители (НО) с большими связями (3дБ.5.5дБ), необходимые для достижения высокого КПД. К тому же такие НО обладают узким диапазоном частот. Что касается реализации широкодиапазонной ВРС с высоким КПД для ФАР с диаметром апертуры ~30А, (ФАР «СуперСкат» для РЛСУ «Ирбис»), то в таких ФАР количество ответвленных каналов в линейных распределителях более 14, а уровень переходных затуханий НО в них составляет 6дБ.14дБ. В связи с этим исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, в основном посвящены решению наиболее сложной задачи - особенностям построения широкодиапазонной ВРС для малоразмерных (~10À,.12À.) ФАР бортовых РЛС с высокой энергетической эффективностью.

Энергетическая эффективность является важным параметром антенны, так как от него напрямую зависит дальность обнаружения локатором цели в частности за счет обеспечения в составе антенны максимального коэффициента усиления (КУ) КУ=КЭ 47tS- , где Кэ - коэффициент,

Я2 характеризующий энергетическую эффективность антенны; S — площадь апертуры; X - рабочая длина волны. Кэ в значительной степени определяется способом разведения СВЧ-сигнала в апертуре антенны и равен КЭ=КПД*КИП. Поэтому для решения проблемы обеспечения высокой энергетической эффективности ВРС в таком широком диапазоне (~40%f0) в диссертационной работе определены основные критерии оценки этого понятия:

1. Получение высокого КПД.

КПД может снижаться за счет ухудшения КСВ и параметров элементной базы в широком диапазоне частот при работе на основном типе волны через прямое увеличение потерь, возникновение резонансных пиков .за счет характеристик и взаимодействия элементной базы в составе ВРС, а также приближения к запредельности волноводных сечений для волны Ню либо возникновения высших типов волн, которые отбирают часть энергии у волны Ню.

Поэтому для получения высокого КПД и исключения параметров, снижающих его, в широком диапазоне частот необходимо, чтобы все элементы, входящие в состав ВРС, имели малые потери и малый КСВ. Такими элементами являются НО, тройники, мосты, уголки, трансформаторы и другие соединительные волноводные устройства, включая их совмещенные конструкции.

2. Получение высокого КИП (в составе ФАР).

Коэффициент использования поверхности (КИП) ФАР определяется формой амплитудного распределения (АР) линейных распределителей и линеек ВРС, являющихся основными функциональными узлами ВРС. Искажение АР происходит в первую очередь за счет изменения переходных затуханий НО в широком диапазоне частот, а также взаимодействия элементной базы в составе ВРС.

Поэтому в диссертационной работе исследуется с этой точки зрения такая элементная база, которая в широком диапазоне частот обеспечивает заданные амплитудные характеристики в составе ФАР. Таковыми, как уже было отмечено выше, являются ответвители, мосты и тройники, а также выполненные на их основе функциональные устройства в виде линейных распределителей или диаграмме образующего устройства.

Анализ литературы, касающийся проблемы создания диапазонных ВРС для бортовой ФАР, показывает, что в основном разработчики бортовых ФАР свои усилия направляют на реализацию предельно возможных характеристик в диапазоне частот 5-7%^ [19, 20]. Так как до недавнего времени диапазон, составляющий ~10% от средней частоты ^ было принято .считать широким [26]. Сегодня же антенны с рабочим диапазоном <10%Г0 относят к узкодиапазонным, а >10.50%^ к широкодиапазонным [22].

Анализ отечественной и зарубежной литературы с глубиной поиска несколько десятков лет показал, что систематического и глубокого исследования проблем диапазонности ФАР и входящих в нее систем, в том числе ВРС, более 10%^ практически не проводилось. В связи с этим в диссертационной работе само исследование ВРС и входящих в нее устройств в широком диапазоне частот (~40%^) является новым.

Исследование диапазонности ВРС показало, что с точки зрения удобства анализа ее электрических характеристик и входящих в нее волноводных элементов широкий диапазон частот оказалось целесообразно разделить на следующие три диапазона [23]:

1. — радиолокационный диапазон, в котором для обеспечения основных режимов работы РЛС при предельно высокой энергетической эффективности требуется обеспечивать за счет настройки ВРС выполнение самых высоких требований к реализуемым характеристикам: КСВ элементов и функциональных устройств - <1.2. 1.5; изменение потерь, снижение КПД, изменение формы амплитудного распределения ВРС не приводит к снижению КУ в составе ФАР более чем на 1 дБ. 1.5дБ.

Диапазон Д^0) обычно не превышает (6. Ю)%50=± (3. .5)%^.

2. Д^ — диапазон, в котором, (как и в в каналах ВРС распространяется только основной тип волны (Ню); в этом диапазоне должны быть сохранены все функции ВРС, обеспечивающие в составе антенны формирование суммарно-разностных ДН, хотя и с ухудшенными параметрами по сравнению с А^0).

Диапазон частот < (40. .50)%$,.

3. Д^2) — диапазон, в котором возникают высшие типы волн и существенно искажаются электрические характеристики ВРС, вплоть до полного разрушения ее функциональных свойств. Диапазон частот Д^2) »(40. .50)%^.

Такое разделение широкого диапазона частот связано еще и с тем, что каждый из указанных диапазонов обладает своими индивидуальными особенностями, которые определяют выбор способов проектирования и настройки ВРС для каждого из них. Например, в диапазоне основной задачей является обеспечение настройки элементной базы в диапазоне Afэл(н), превосходящем на (1.2)% Д^0); в диапазоне допускаются некоторые ухудшения электрических характеристик, но необходимо исключить резонансы на элементах конструкции для волны Нш; в диапазоне Д^2) ,как показали исследования, выполненные в работе [23], возбуждение высших типов волн в различных элементах ВРС практически разрушает функциональные характеристики этих элементов и ВРС в целом, поэтому единственным способом обеспечить работу ВРС в диапазоне является создание такой системы распределения, в которой бы отсутствовали условия возбуждения и существования высших типов волн. Однако, многообразие номенклатуры элементов, входящих в строчно-столбцовую ВРС, не позволяет исключить в широком диапазоне Д1*2) возникновение высших типов волн во всех элементах сразу. Это обстоятельство исключает возможность работы ВРС в диапазонеД^2) в моноимпульсном варианте.

Как уже отмечалось выше, решение проблем диапазонности и энергетической эффективности ФАР определяется ее базовыми устройствами и в первую очередь системой распределения СВЧ-сигнала. В качестве одного из способов решения этой задачи в литературе рассматривается применение полосковых распределителей [24-27], которые принципиально позволяют расширить диапазон частот до 20%^, однако, на их основе не удается создавать ФАР с высокой энергетической эффективностью из-за наличия в них больших потерь. Поэтому среди различных типов систем распределения СВЧ-сигнала [28-32] при создании широкодиапазонной ФАР с 'высокой энергетической эффективностью несомненным преимуществом обладают волноводные распределительные системы [23, 33-37]. В связи с этим в диссертационной работе исследуется волноводная распределительная система в широком диапазоне частот, который значительно превышает диапазон частот исследований, проведенных ранее — А^0) [19, 33-34].

Известно, что способ разведения СВЧ-сигнала по излучающим элементам бортовой ФАР также во многом определяет электрические характеристики и облик антенны в целом [38] .Уже в 60-е, 70-е годы появились работы с результатами практической реализации конкретных схем ВРС [33, 35, 36, 3941]. При систематических исследованиях по совершенствованию известных и созданию новых схем ВРС для современных ФАР, в ОАО «НИИП», когда комплекс требований охватывает как высокие электрические характеристики так и сложные конструкторско-технические и компоновочные проблемы, предпочтение традиционно отдается строчно-столбцовым ВРС [33, 38, 42,

43], так как они обладают наибольшей компактностью, малой массой, высокотехнологичны и удобны для герметизации узлов, работающих в условиях высокого уровня мощности (ВУМ). Одновременно такие ВРС могут формировать в апертуре ФАР амплитудное распределение любой заданной формы при высоком КПД. В то же время рабочий диапазон, а также способы построения строчно-столбцовых ВРС для широкого диапазона частот изучены недостаточно, хотя известно, что именно эти ВРС по принципу их построения наиболее чувствительны к изменению частоты. В частности, их широкодиапазонность ограничена нестабильностью амплитудных характеристик в диапазоне частот. Учитывая, отмеченные выше достоинства строчно-столбцовых распределителей, многолетний опыт их проектирования, изготовления и эксплуатации в составе ФАР, в диссертационной работе основное внимание уделяется диапазонности именно этой схеме, широко используемой в практике [19, 35, 37, 43, 44] и имеющей большой технический задел в серийном производстве. Важность и в тоже время сложность этих исследований обусловлены тем, что создание реальных ВРС для широкодиапазонных ФАР с высокой энергетической эффективностью является на сегодня не просто актуальной, но и, как отмечалось выше, в значительной степени новой задачей, поскольку имеющиеся в литературе сведения и опыт проектирования ВРС, накопленный в ОАО «НИИП» и других предприятиях [19, 23, 33, 35, 36, 37] касались в основном лишь ограниченного диапазона частот (5-7)%^ , а самые большие достижения в этом плане вплоть до 2000 года не превзошли барьера Дй(10%$,)[19].

ВРС строчно-столбцового типа состоят из горизонтально и вертикально ориентированных линейных распределителей, выполненных на основе последовательно соединенных направленных ответвителей с различными переходными затуханиями и нескольких модификаций соединительных и вспомогательных элементов (уголков, трансформаторов, скруток.). Для формирования фазовых распределений, свойственных суммарно-разностным диаграммам направленности, в состав ВРС входит СВЧ-сумматор, состоящий из четырех балансных восьмиполюсников (тройников или мостов).

Так как ВРС охватывает большой перечень волноводных узлов, для решения проблемы диапазонности необходимо иметь набор элементной базы, особенно базовых элементов, которые сохраняют свои характеристики излучения в широком диапазоне частот (А^^). На сегодня, как показал анализ литературы [45-48] рабочий диапазон вышеперечисленных входящих в ВРС элементов составляет <А^0) (10%^). Попытка расширения диапазона частот, например, НО - базового элемента линейных распределителей, до 23%^ [45] сопровождалась увеличением их габаритов и снижением связи до ЗОдБ. Такие ответвители не могут быть использованы в бортовых ФАР из-за громоздкости, а также из-за малых связей, что не дает возможность достичь высокого КПД волноводной распределительной системы и, следовательно, высокой энергетической эффективности.

Попытка эффективно улучшить диапазонные свойства НО за счет использования щелей сложной формы (гантельных, крестообразных.) и заполнения щелей диэлектриком в зоне малых переходных затуханий положительных результатов также не дали [33-34]. Анализ других известных способов стабилизации характеристик НО в диапазоне частот, позволил также оценить их как недостаточные, а в ряде случаев и неприемлемые для ФАР из-за увеличения габаритов и массы ВРС и сужения рабочего диапазона частот.

Аналогичное положение имеет место и в других базовых элементах, например, таких как тройники, мосты — базовых элементов СВЧ-сумматора и др.[49-51]. Задача об их исследовании и усовершенствовании в направлении увеличения диапазонности является также новой.

Особое место при исследовании ВРС и входящих в нее элементов в широком диапазоне частот занимает математическое моделирование. Поскольку только правильно выбранная математическая модель позволит достоверно оценить электрические характеристики большого числа входящих в ВРС элементов, а также их взаимодействия в составе ее функциональных узлов особенно в широком диапазоне частот. Известный в литературе [39, 52, 53] и используемый ранее в ОАО «НИИП» энергетический метод порой даже в узком диапазоне частот не позволяет получать достоверные расчетные результаты. Это связано с тем, что энергетический алгоритм не учитывает взаимодействия элементов по отраженным волнам и направленности (т.е предполагаются следующие ограничения: КСВ=1, >Т- оо), которые в диапазоне частот >10%^ приобретают все более выраженную зависимость. Применение же других математических алгоритмов для моделирования ВРС известно только в узком диапазоне частот [54, 55]. В связи с этим в диссертационной работе проводится исследование абсолютно новой и одной из важной задачи выбора метода математического моделирования ВРС и входящих в нее элементов в широком диапазоне частот.

Еще одной из важнейших проблем, возникающих при создании ВРС для широкодиапазонных бортовых ФАР с высокой энергетической эффективностью является оптимизация характеристик излучения моноимпульсных ФАР, заключающаяся в обеспечении оптимальных характеристик по суммарному каналу и снижение УБЛ ДН по разностному каналу в расширенном диапазоне частот [56-64]. Актуальность этой проблемы обусловлена повышением требований к помехозащищенности и необходимостью уменьшения влияния отражений от земли.

Учитывая, что сегодня основные принципы построения ФАР в каждом разрабатывающем предприятии, в том числе и в ОАО «НИИП», уже сформировались и существует большой задел изготовленных антенных решеток, в этих условиях оптимизация суммарно-разностных характеристик излучения не должна была привести к полному изменению конструкции ФАР. Поиск именно таких способов оптимизации, для созданных ранее строчно-столбцовых схем, проводился в ОАО «НИИП» с конца 80* годов. А в 90-е годы был проведен анализ проблем создания строчно-столбцовых ВРС с оптимизированными характеристиками излучения [65], в процессе которого был отмечен ряд задач, новых, ранее не исследованных, связанных с расширением рабочего диапазона частот таких систем. Эти новые задачи являются предметом исследования настоящей диссертационной работы. Интерес к аналогичным работам был неизменно высоким как у нас в стране, так и за рубежом. Еще в 70е годы прошлого столетия появились работы [66], в которых формулировались теоретические предложения по оптимизации линейных распределителей, а также рассматривались схемы (матрицы Бласса), на основе которых решались проблемы оптимизации [67]. Но, несмотря на актуальность и практическую востребованность этих предложений, до реализации их в конкретных разработках дело не дошло. Основной причиной, приведшей к этому, стало отсутствие конкретных технологий проектирования реальных систем.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что определены основные принципы создания широкодиапазонной ВРС для ФАР Х-диапазона с высокой энергетической эффективностью, которые могут быть применены при проектировании аналогичных систем распределения различного назначения, а также разработан метод математического моделирования широкодиапазонных ВРС.

Практическая значимость подтверждена внедрением полученных результатов в разработки ОАО «НИИП»: ФАР «СуперСкат» для РЛСУ «Ирбис» истребителя СУ-35 и ФАР «Скат-р.» для PJJJ.UK «Оса» легких фронтовых истребителей класса МИГ-21, МИГ-29 УБТ, ЯК-130.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В диссертации приведен подробный список литературы по исследуемой теме.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Епишкина, Виктория Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Во вводной части диссертации сформулированы основные качества ВРС с большими связями НО, определяющие высокую энергетическую эффективность и широкую диапазонность ФАР. Указаны параметры ВРС, ответственные за энергетическую эффективность в составе ФАР: АР, характеризующее КИП антенны, и КПД ВРС, определяющий совместно с КИП коэффициент усиления. Определена основная особенность ВРС, проявляющаяся при ее работе в широком диапазоне частот и заключающаяся в появлении в этом диапазоне резонансных пиков.

В диссертации теоретически исследованы особенности расчета (синтеза и анализа) ВРС в широком диапазоне частот для ФАР с высокой энергетической эффективностью. Проведен анализ различных методов математического моделирования ВРС. В процессе исследования разработан базовый метод математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот при сохранении высокой энергетической эффективности ФАР -матрично - электродинамический метод (модель 3). Определены критерии использования в широком диапазоне других применяемых в практике методов математического моделирования. В частности установлено, что применение наиболее простого энергетического алгоритма вполне допустимо при предварительных синтезе и анализе отдельных функциональных узлов ВРС, характеристики элементной базы которых близки к идеальным. Этот метод может также использоваться при соединении функциональных устройств между собой в составе ВРС в широком диапазоне частот вплоть до появления резонансных пиков. В области резонансных явлений математическое моделирование следует выполнять только на основе электродинамической модели, учитывающей практически весь пакет волн, возбуждаемых в ВРС.

Таким образом решена одна из первостепенных задач диссертационной работы - выбран метод математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот при сохранении высокой энергетической эффективности.

Проведено детальное исследование входящих в ВРС базовых элементов в широком диапазоне частот: НО, составляющих основу линейных распределителей, и балансных восьмиполюсников, составляющих основу СВЧ-сумматоров, - предложен способ смещения резонансных пиков этих устройств за пределы расширенного диапазона частот. В НО определены пути стабилизации переходного затухания (минимизация частотного декремента затухания) в расширенном диапазоне частот; рекомендованы методы уменьшения переходного затухания без существенного увеличения частотного декремента затухания и сформулирован порядок проектирования широкодиапазонных многощелевых НО с большими связями. В балансных восьмиполюсниках для СВЧ-сумматора обосновано преимущественное использование двойных тройников и предложены способы их оптимального построения в широком диапазоне частот. На основе сформулированных принципов построения базовых элементов создана новая усовершенствованная широкодиапазонная элементная база, на основе которой следует выполнять широко диапазонную ВРС.

В главе, касающейся исследований широкодиапазонных ВРС для ФАР с высокой энергетической эффективностью проведена комплексная оценка всех факторов, определяющих эти качества ВРС, в частности показано, что работоспособность ВРС в широком диапазоне частот зависит не только от резонансных явлений элементной базы, но и от резонансов, возникающих при взаимодействии этих элементов в составе функциональных устройств. Предложены меры по выведению резонансов взаимодействия за пределы исследуемого диапазона. Исследованы особенности синтеза ВРС, обусловленные количеством входящих в нее НО и формой реализуемого амплитудного распределения (АР). Предложен метод самокомпенсации изменения АР в широком диапазоне частот за счет соответственной расстановки традиционных (узкодиапазонных) и усовершенствованных (широкодиапазонных) НО в линейном распределителе. На основе проведенного комплекса исследований сформулированы основные особенности создания ВРС на основе традиционной и усовершенствованной элементной базы с рабочим диапазоном частот, вдвое превышающим современные аналоги.

В классе направленных ВРС с большими связями, работающих в широком диапазоне частот, рассмотрены ВРС с расширенными функциональными возможностями. В частности, исследованы вопросы создания ВРС для моноимпульсной ФАР, обеспечивающей снижение УБЛ диаграммы направленности по разностному каналу при сохранении характеристик суммарного канала в расширенном диапазоне частот. Показано, что одной из проблем реализации малоразмерных ВРС является дефицит энергии, обусловленный высоким КПД и большими связями НО в первом линейном распределителе. Установлено слабое влияние заднего спадающего фронта АР на УБЛ разностной ДН, что позволяет решать задачу оптимизации ВРС с малым количеством НО, используя укороченные вторые линейные распределители. Исследования ВРС также показали, что для обеспечения ее работоспособности в расширенном диапазоне частот целесообразнее всего применять амплитудно-стабильные НО и управляемые фазовращатели в качестве фазирующих секций.

Таким образом создана ВРС для моноимпульсной ФАР, обеспечивающей заданные оптимальные характеристики по суммарному каналу и снижение не менее чем на ЮдБ УБЛ ДН по разностному каналу в расширенном диапазоне частот;

В главе, касающейся экспериментального исследования ВРС, на реальных образцах широкодиапазонных ВРС для ФАР с высокой энергетической эффективностью, детально исследованы, полученные с помощью теоретического анализа, результаты. В частности подтверждены:

1. Предложенные методы математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот:

- возможность применения энергетического метода при синтезе ВРС с элементной базой близкой к идеальной;

- допустимость использования энергетического метода расчета при соединении функциональных узлов в составе ВРС в широком диапазоне частот в зоне свободной от резонансных пиков;

- необходимость использования для математического моделирования при реальной элементной базе в широком диапазоне частот матричного алгоритма каскадного соединения многомодовых элементов ВРС до появления резонансных пиков;

2. Эффективность предложенных в диссертации способов создания широкодиапазонных базовых элементов (НО и балансных восьмиполюсников), функциональных узлов ВРС (линейные распределители и СВЧ-сумматор) и ВРС в целом.

Таким образом, решение поставленных в диссертационной работе задач позволило выполнить ее главную цель: разработать теоретические и инженерные основы увеличения рабочего диапазона частот ВРС до 40%^ и более в сочетании с обеспечением высокой энергетической эффективности в составе бортовых ФАР.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы использованы при разработке ФАР "СуперСкат" для РЛСУ "Ирбис" истребителя СУ-35 и ФАР"Скат-|ы" для РЛПК "Оса" легких фронтовых истребителей класса МИГ-21, МИГ-29 УБТ, ЯК-130, что подтверждается соответствующими актами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Епишкина, Виктория Николаевна, 2008 год

1. Белый Ю.И. Радары с электронным управлением лучом для истребителей // Сборник докладов симпозиума «Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах». Рязань, 2000. - С.15-16.

2. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию) М.:Сайнс-Пресс, 2002, - 232с.

3. Brookner Е. Phased Arrays for the New Millennium // Proceedings of the IEEE 2000 International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 2000. - P. 3-19.

4. Пономарев Н.Г. Диаграммы направленности антенн с качанием луча // Радиотехника и электроника. 1962. - Вып.6, Т.7.- С. 949-962.

5. Пистолькорс А.А. Антенны М.: Связьиздат, 1947, -480с.

6. Сканирующие антенны сверхвысоких частот / Л.Н.Дерюгин. -М.: Машиностроение, 1964. -350с.

7. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов) -М.: Сов. Радио, 1972.-320с.

8. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства М.:Связь, 1977.-440с.

9. Brookner Е. Practical Phased Array Antenna Systems // Boston, London Artech House, 1994.-370c.

10. Применение фазированных антенных решеток в PJIC боевых самолетов: Обзор. Авиационные системы- М.: НИЦ ГосНИИАС, 2002. №2. - С.16-32.

11. Синани А.И. Антенные системы с электронным управлением лучом для бортовых PJIC // Антенны.- 2008. -Вып.9. С. 4-14.

12. Белый Ю.И. Проблемы помехозащищенности в современной радиолокации // Сборник докладов 17-й научно-техническойконференции. ГП НИИ Приборостроения им.В.В.Тихомирова, Жуковский, 2002. - С. 32-35.

13. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства-М.: Радио и связь, 1989. -352с.

14. Проектирование фазированных антенных решеток / Д.И.Воскресенский. М.: Радиотехника, 2003 .-632с.

15. Вопросы перспективной радиолокации / А.В.Соколов. М.: Радиотехника, 2003. - 512с.

16. Гудзенко А.И., Теричев В.Ф. Увеличение широкополосности фазированных антенных решеток // Труды Ленинградского института авиационного приборостроения.- 1978.-№4. С. 148-150.

17. Скосырев В.Н. Проблемы и перспективы развития радиолокации // Сборник докладов научно-технической конференции «Радиооптические технологии в приборостроении». Сочи, 2005. - С. 45.

18. Воскресенский Д.И., Котов Ю.В., Овчинникова Е.В. Тенденции развития широкополосных ФАР (обзор работ) // Антенны-2005. -Вып.11. С. 720.

19. Синани А.И., Митин В.А., Позднякова Р.Д. и др. Системы распределения СВЧ-сигнала в антеннах с высокой энергетической эффективностью //Антенны. -2005. -Вып.2. -С.33-39.

20. Colin J., Renard С., Mangenout С. Phased array antennas: status and new development in France // The Moscow international Conf. on Antenna Theory and Technology. -1998. P.47.

21. Цандулас. Пределы широкополосности волноводных антенных решеток // Зарубежная радиоэлектроника. -1973. -№7. С. 100-109.

22. Устройства СВЧ и антенны / Д.И.Воскресенский, В.Л.Гостюхин, В.Н.Максимов и др.- М.: Радиотехника, 2006.-376с.

23. Заенцев В.В. Широкополосные СВЧ-делители и сумматоры мощности // Министерство высшего и среднего образования РСФСР. -Воронеж, 1972.-114с.

24. Малорацкий Л.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ-элементов на полосковых линиях М.: Советское радио, 1972.-232с.

25. Вопросы построения АФАР для авиационных и космических радиолокационных комплексов наблюдения / А.П.Курочкин, В.И.Андрианов, В.С.Верба и др. // Антенны. 2004. -Вып. 8-9. - С.56-64.

26. Шаманов А.Н., Сестрорецкий Б.В., Сосов A.B. Метод расширения полосы согласования много канального делителя стоячей волны // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. -1989. -Вып.6. -С.3-12.

27. Емельченков Ф.И. Бортовые неэквидистантные фазированные антенные решетки с плотной упаковкой фазовращателей // Антенны. -2005. -Вып.11. С.45-52.

28. Пат.2033665 Российская Федерация. Делитель мощности // Петренко В.П., опубл. 20.04.95.

29. Пат.2250540 Российская Федерация. Многоканальный делитель мощности // Немоляев А.И., опубл. 20.04.05.

30. Мякишев Б.Я., Соловцов П.А. Многоканальный СВЧ-делитель мощности с произвольным амплитудным распределением на выходах // Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника.-1975. -Т.21, №2. -С.118-121.

31. Пат.З 827001 США Wide band series-connected equal amplitude power divider (The USA secretary of the Navy) // Laughlin G.J., опубл. 30.07.74.

32. Вопросы построения волноводных распределительных систем: Отчет о НИР (промежуточный) // Предприятие П/Я A-II73, рук. Сапсович Б.И., исполн.: Хейфец А.Д., Позднякова Р.Д. Жуковский, 1975. - 239с.

33. Волноводные распределительные системы ФАР: Отчет о НИЭР // Предприятие П/Я A-II73, рук. Сапсович Б.И., исполн.: Хейфец А.Д., Позднякова Р. Д. Инв.№ 18767 Жуковский, 1986. - 277с.

34. Горбачев А.П., Романов А.Н. Потери в разделительно-суммирующих системах на направленных ответвителях // Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника.-1976. -Т.19, №7. -С.114-116.

35. Горбачев А.П., Романов А.Н. Широкополосные устройства сложения мощностей диапазона СВЧ // Радиотехника. 1972. Т.31, №2.-С.89-91.

36. Ashor К. Agrawal, Eric L. Holzman. Beamformer architectures for Active Phased-array Radar antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1999. -Vol.47, №3. - P.432-442.

37. Волноводные распределительные системы для бортовых ФАР / Р.Д.Позднякова, В.А.Митин и др. // Сборник докладов симпозиума «Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах». Рязань, 2000. - С. 15-16.

38. Хейфец А.Д. Некоторые вопросы проектирования распределительных систем для ФАР: Дис.канд.техн.наук. Москва, 1969.-148с.

39. Пат.2060572 Российская Федерация. Волноводная система питания фазированной антенной решетки // Скляр JI.M., Ганцевич М.М., опубл. 20.05.96.

40. Пат.2225661 Российская Федерация. Волноводная система питания для фазированной антенной решетки // Александров А.П., Батталов И.Р., опубл. 10.03.04.

41. Синани А.И., Позднякова Р.Д., Митин В.А. Волноводная распределительная система бортовой антенны с ЭУЛ // Антенны. 2002. -Вып. 6. С. 18-21.

42. Гольберг Б.Х., Коротков В.Д. Антенные решетки со строчно-столбцовой схемой возбуждения и фазирования // ВСРЭ. Сер. Теория и техника антенн. 1976. -Вып. 1(16). С.3-23.

43. Синани А.И. Антенные системы с электронным управлением лучом для БРЛС // Сборник докладов симпозиума «Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах». С-Пб, 2000.-С.8-27.

44. Машковцев Б.М., Бейсман Л.З., Хохрев A.A. Широкополосный волноводный направленный ответвитель // Радиотехника. 1960. -Т.15, №4. -С.21-23.

45. Почерняев В.Н. Двойной волноводный тройник на частично заполненных прямоугольных волноводах // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. -2000.- Т.43, №1.С.75-80.

46. Пат.2249889 Российская Федерация. Волноводно-полосковый направленный ответвитель // Немоляев А.И., опубл. 10.04.05.

47. Дмитрюк С.Г. К расчету свернутого двойного волноводного тройника // Электродинамика и физика СВЧ. Днепропетровск, 1983. - С.36-40.

48. Кириленко A.A., Онуфриенко Л.М. Характеристики Н-плоскостных, Т-образных делителей мощности, содержащих проводящие включения в области связи // Радиотехника и электроника.- 1991. -Т.36, №1. С.188-191.

49. Кеванишвили Г.Ш. К теории волноводного тройника // Известия ВУЗов СССР. Радиофизика. 1978. - Т.21, №11. - С.1669-1674.

50. Квижинадзе Н.Б. Согласование главного плеча волноводного тройника с разветвленной частью при возбуждении его волной типа Ню // Georgian Engineering News. 2000.-№3. - C.27-29.

51. Узаков A.X. Математическое моделирование волноводных делителей мощности : Дис. канд. физ.-мат. наук. -Москва, 1994. 162с.

52. Лавров A.C., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. -М.:Сов.Радио, 1974. -368с.

53. Вольский В.А. Математические модели для проектирования волноводных устройств со связью через щель: Дис. канд. техн. наук. — Москва, 1993 .-140с.

54. Назаров А.Г. Математические модели многощелевых направленных ответвителей на полосковых линиях и волноводах сложной конфигурации поперечного сечения с частичным диэлектрическим заполнением: Дис. канд. техн. наук. Москва, 1996. - 155с.

55. Брук Ю.М., Инютин Г.А., Содин Л.Г. Матричные схемы для многолучевых фазированных антенных решеток // Антенны. -1974. -Вып. 20. -С.32-47.

56. Бененсон Л.С. Многолучевые антенны // Радиотехника и электроника.1996. Т.41, №7. - С.806-811.

57. Liu Jinghua. Three types of architectures for Sum and Difference Beamforming // Ginese Journal of Electronics. 2002. - Vol.11, №4.-P.352-354.

58. Xuefei Zheng, Yanchang Guo. Integrate design of sum and difference distributions // International Symposium on Radio Propagation. Qingdao,1997.-P.558-561.

59. Hall P.S. Многолучевые микрополосковые антенные решетки // Microwave J.-1992. -Т.35, №1. С.103-104, 106, 111-112, 114.

60. Sherman K.N. Phased array shaped multi-beam optimization for LEO satellite communications using a genetic algorithm // Phased Array Systems and Technology. 2000. - P. 501-504.

61. Orchard H.J., Elliott R.S., Stern G.J. Optimizing the synthesis of shaped beam antenna patterns //Proc. Inst. Elect. Eng. 1985. - Vol.132. - P. 63-68.

62. Robert С. Voges, Jerome К. Butler Phase optimization of antenna array gain with constrained amplitude excitation // IEEE Trans. Antennas Propagat. -1972. Vol. 20. - P. 432-436.

63. Alfred R. Lopez. Схемы построения моноимпульсных антенных решеток с последовательным питанием // IEEE Transactions on Antennas and Propagation.-1968.- AP-16, №4.

64. Хансен P.C. Сканирующие антенные системы СВЧ M.: Сов. Радио, 1971.-Т.З.-385с.

65. Синани А.И., Позднякова Р.Д., Епишкина В.Н. Основные методы математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот для ФАР с высокой энергетической эффективностью// Антенны. -2008. -Вып. 9. — С.21-28.

66. Синани А.И., Епишкина В.Н. Широкополосные волноводные распределители энергии для антенных систем с электронным управлением лучом // Сборник докладов научно-технической конференции «Радиооптические технологии в приборостроении». -Сочи, 2005. С. 60-64.

67. Заявка 2008112070 Российская Федерация. Двойной волноводный тройник // В.Н. Епишкина, опубл. 23.03.08.

68. Пат.2310257 Российская Федерация. Волноводная распределительная система // А.И. Синани, Р.Д. Позднякова, В.Н.Епишкина, Б.П.Ястребов, опубл. 10.11.2007.

69. Главный распределитель для малоразмерной ФАР с оптимизированными характеристиками излучения / Р.Д.Позднякова, Б.П.Ястребов,

70. B.Н.Епишкина и др. // Антенны. 2005. - Вып. 2. - С. 58-63.

71. Епишкина В.Н. Экспериментальное исследование диапазонных свойств ВРС// Антенны. 2008. -Вып. 9. - С.81-85.

72. Машковцев Б.М., Цибизов К.И., Емелин Б.Ф. Теория волноводов M-JL: Наука, 1966.-351с.

73. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610937. Программа расчета волноводно-распределительных систем произвольного типа (ВРС+) // П.К. Крылов, Б.П. Ястребов, В.Н. Епишкина, опубл. 19.04.2005.

74. Пат.2330355 Российская Федерация. Способ изменения характеристик направленного ответвителя // А.И. Синани, Р.Д. Позднякова, В.Н. Епишкина, Б.П. Ястребов, опубл. 27.07.2008.

75. H.A. Винярская, В.А. Митин, Р.Д. Позднякова. Элементная база волноводных распределительных систем // Сборник докладовсимпозиума «Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах». Рязань, 2000. - С.15-16.

76. Пат.2109377 Российская Федерация. Суммарно разностный излучательIдля моноимпульсной антенны // В.А.Митин В.А., Р.Д.Позднякова,

77. A.Д.Хейфец, Б.П.Ястребов Б Л., опубл. 27.08.98.

78. Макаренко Б.И., Сорока A.C., Силин А.О. Волноводно-щелевые мосты с 3-х модовой областью связи // Радиотехника. Сер. Физика и техника СВЧ. 1996. - №8. С.65-70.

79. Михайлов Ю.А., Хохрев В.А. О двойных волноводных тройниках малого сечения//Вопросы судостроения. -1980. -№50. С.23-26.

80. Пат.2109374 Российская Федерация. Двойной волноводный тройник // Г.В.Добкин, Н.И.Елисеев, В.Л.Зубков и др., опубл. 20.04.98.

81. Главный распределитель для ФАР «Скат-р.» / Б.ПЛстребов, Е.В.Крылова, В.А.Митин, В.Н.Епишкина // Сборник докладов 17-й научно-технической конференции. ГП НИИ Приборостроения им.

82. B.В.Тихомирова, Жуковский, 2002. С. 251-255:

83. Синани А.И., Позднякова Р.Д., Епишкина В.Н. Широкодиапазонные ВРС для ФАР с высокой энергетической эффективностью // Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции «Морские комплексы и системы». — Москва, 2008. — С.36-37.