Печатные директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Бухтияров Дмитрий Андреевич

• Бухтияров Дмитрий Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Бухтияров Дмитрий Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТОК СУЩЕСТВУЮЩИХ ДИРЕКТОРНЫХ АНТЕНН

1.1. Классические директорные антенны

1.2. Печатные директорные антенны на фольгированных диэлектриках

1.3. Компактные директорные антенны для частот свыше 20 ГГц

1.4. Постановка задач исследования

2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

С ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ ДИПОЛЬНОГО ВИДА

2.1. Параметры антенных систем с прямолинейными излучателями дипольного вида

2.2. Решение внутренней задачи для излучателя дипольного вида

2.3. Анализ антенных систем в ближней зоне

2.4. Анализ антенных систем в дальней зоне

2.5. Основные результаты Раздела

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИРЕКТОРНЫХ АНТЕНН С ВОЗБУДИТЕЛЯМИ ДИПОЛЬНОГО ВИДА

3.1. Синтез директорных антенн с возбудителями дипольного вида

3.1.1. Синтез двухдипольных антенных систем

3.1.2. Синтез трёхэлементных директорных антенн

3.1.3. Синтез четырёхэлементных директорных антенн

3.2. Формирование облика директорных антенн с волноводным питанием

возбудителей дипольного вида

3.2.1. Излучатели дипольного вида, интегрированные с питающими их

волноводами

3.2.2. Синтез трёхэлементных директорных антенн над бесконечной идеально отражающей плоскостью

3.3. Формирование облика печатных директорных антенн с возбудителями дипольного вида

3.3.1. Адаптация печатных распределительных структур для питания возбудителей дипольного вида

3.3.2. Влияние диэлектрической подложки на параметры печатных

директорных антенн

3.4. Основные результаты Раздела

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ДИРЕКТОРНЫХ АНТЕНН С ВОЗБУДИТЕЛЯМИ ДИПОЛЬНОГО ВИДА

4.1. Описание измерительного оборудования и средств компьютерного моделирования антенн

4.2. Проектирование печатных директорных антенн с центрально-концевым питанием возбудителя

4.2.1. Печатная директорная антенна, интегрированная с прямоугольным волноводом

4.2.2. Печатная директорная антенна, питаемая делителем Вилкинсона

4.3. Проектирование печатных директорных антенн с концевым питанием возбудителя

4.3.1. Печатная директорная антенна, интегрированная с прямоугольным волноводом

4.3.2. Печатная директорная антенна, питаемая щелевым делителем

4.3.3. Печатная директорная антенна, питаемая делителем с эллиптическим отверстием

4.3.4. Печатная директорная антенна, питаемая модифицированным щелевым делителем

4.3.5. Печатная директорная антенна, питаемая кольцевым

синфазно-противофазным делителем

4.4. Сравнительный анализ характеристик печатных директорных антенн и результаты Раздела

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акты внедрения результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы, подтверждающие право на интеллектуальную

собственность

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Печатные директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида»

ВВЕДЕНИЕ

С позиций электродинамики директорная антенна (ДА) (иначе: антенна Яги-Уда, «волновой канал») является антенной решёткой осевого излучения с одной модой тока на элементах: как правило, не более трёх активных возбудителей и от двух до двух десятков пассивных рефлекторов и директоров. Считается, что ДА выполнена на основе электрических диполей (вибраторов), если иной тип излучателя не отмечен особо. Интенсивные исследования ДА с момента изобретения в 1926 г. и по сей день привели не только к широчайшему распространению классической конструкции, но и к появлению многих ДА с нетрадиционными структурой и обликом.

Несмотря на значительный прогресс в проектировании и серийном выпуске классических дипольных директорных антенн с питанием классического полуволнового диполя-возбудителя в центре на его смежных клеммах, не снижается внимание к их модернизации и совершенствованию, где ключевыми, как правило, являются габаритно-массовые требования. Этому в значительной степени отвечает печатное исполнение антенн, когда в пределах одной диэлектрической заготовки реализуется вся излучающая структура, с высоким процентом выхода годных изделий в одном технологическом цикле.

Однако, всё возрастающие требования к габаритно-массовым показателям антенн, уровню их производственной и эксплуатационной технологичности, степени помехозащищенности с нежелательных направлений окружающего пространства, а также к критериям электромагнитной совместимости антенных систем радиоэлектронных средств обусловливают необходимость поиска новых подходов к модернизации ДА и совершенствованию уже существующих методик их проектирования.

Одним из таких путей является замена полуволнового дипольного возбудителя, питаемого в центре на его смежных клеммах, новыми возбудителями дипольного вида (ВДВ), питаемыми либо на удаленных концах диполя, либо на смежном конце одного плеча и удаленном конце другого плеча. До настоящего времени в литературе совершенно отсутствовало описание таких возбудителей

директорных антенн. Между тем, этот подход, основанный на концевом и центрально-концевом питании, является весьма многообещающим в плане упрощения технологии изготовления ДА; появления дополнительных степеней свободы при реализации проектно-компоновочных задач в многоэлементных АС, включая ФАР; в решении вопросов построения многофункциональных ДА, в которых излучение электромагнитных волн совмещается с реконфигурацией характеристик (по частоте, форме диаграммы направленности и поляризации), работой в нескольких диапазонах, суммарно-разностным возбуждением и другими возможностями. Приоритет по концевому и центрально-концевому питанию ВДВ принадлежит Новосибирскому Государственному Техническому Университету (НГТУ) и защищён тремя патентами Российской Федерации.

Важность решения вышеперечисленных проблем определяет актуальность вопросов разработки модернизированных компактных ДА, отвечающих всё возрастающим требованиям как к уровню согласования и величине коэффициента усиления, так и к габаритно-массовым характеристикам, упрощению технологии реализации и повышению надежности и ремонтопригодности антенных узлов, находящихся, как правило, под непосредственным воздействием неблагоприятных факторов климатического районирования Российской Федерации.

Актуальны также вопросы волноводного питания директорных антенн, поскольку прямоугольные и круглые волноводы характеризуются существенно меньшими диссипативными потерями в диапазоне СВЧ, повышенной механической прочностью и устойчивостью к ударам и вибрациям, а также лучшей защищённостью от воздействия нежелательных электромагнитных и ионизирующих излучений.

Многодипольные ДА традиционно используются как отдельно стоящие излучатели, так и в качестве базовых излучающих модулей многоэлементных ФАР РЛС опознавания, наведения и сопровождения наземного, морского и воздушного базирования, включая космическое пространство. Значительный вклад в исследования самих многодипольных антенн, включая директорные, и возможностей их применения в радиотехнических системах внесли как отечественные ученые А.А. Пистолькорс, Г.Т. Марков, Г.З. Айзенберг, Л.Д.

Бахрах, Д.И. Воскресенский, В.Д. Каплун, Б.В. Сестрорецкий, Д.М. Сазонов, В.В. Чебышев, О.Г. Вендик, М.В. Инденбом, В.И. Кошелев, В.П. Беличенко, Т.Т. Газизов, В.Ф. Лось и другие, так и многие зарубежные исследователи, в том числе: H. Yagi, S. Uda, S.A. Schelkunoff, H.T. Friis, S. Silver, E. Hallen, J.D. Kraus, R.W.P. King, H.J. Jasik, C.A. Balanis, N. Marchand, J.L. Volakis, Z.N. Chen, W.-K. Chen, J.R. Wait и т.д. Результаты этих исследований и разработок квалифицируются как весьма удачные обобщения и находки в области проектирования ДА в терминах их направленности, согласования с питающим фидером и степени линейности поляризации излучаемых радиоволн. Все они нашли широкое применение в телевидении, радиолокации, радионавигации и других телекоммуникационных системах.

До настоящего времени сотрудниками НГТУ, в том числе автором данной диссертационной работы, были полностью исследованы лишь уединённые излучатели дипольного вида (ИДВ) с концевым и центрально-концевым питанием. Результаты этих исследований опубликованы в последние 4 года в отечественных (журналы перечня ВАК) и зарубежных (наукометрическая система «Web of Science») периодических изданиях. Вместе с тем, перспективы использования таких излучателей в качестве возбудителей ДА, ещё только начинают оцениваться на кафедре «Радиоприёмные и радиопередающие устройства» НГТУ, а методика их проектирования ещё только формируется и апробируется.

Цель работы - исследование и разработка методики проектирования директорных антенн новой структуры с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида, формирование и отработка процедур реализации их конструктивно-компоновочных решений при печатном и интегрированном печатно-волноводном исполнениях с учетом отечественных конструкторско-технологических ограничений на листовые диэлектрики, процессы формообразования топологии проводящего печатного рисунка и технологии производства волноводных узлов.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить аналитический обзор существующих дипольных ДА, по результатам которого обосновать направление исследований и предложить ИДВ с концевым и центрально-концевым питанием в качестве возбудителей ДА;

2. Обобщить методику электродинамического анализа АС с классическими центрально-питаемыми диполями на АС с предложенными ИДВ в свободном пространстве и над бесконечной идеально отражающей плоскостью;

3. Разработать методику проектирования ДА с цилиндрическими проводниками при концевом и центрально-концевом питании ВДВ, основанную на оптимизации многокритериальной целевой функции.

4. Предложить методику формирования обликов начального приближения печатных ДА с концевым и центрально-концевым питанием ВДВ для последующей оптимизации размеров проводников и расстояний между ними с использованием системы трёхмерного электродинамического моделирования «CST STUDIO SUITE»;

5. Разработать печатные и интегрированные печатно-волноводные реализации ДА с концевым и центрально-концевым ВДВ от стандартных коаксиальных кабелей, а также прямоугольных волноводов.

Объектом исследования являются директорные антенны с центрально-концевым и концевым питанием возбудителей дипольного вида.

Предметом исследования являются электродинамические модели проводных и печатных директорных антенн с возбудителями дипольного вида.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы, базирующиеся на классических электродинамических принципах теории антенн, численных приемах решения прикладных задач электродинамики, реализованных в среде «MathCAD 15», а также на алгоритмах нелинейной параметрической оптимизации функции многих переменных: генетическом - в пакете расширения «Optimization Toolbox» среды «MATLAB», доверительных областей - при моделировании в комплексе «CST STUDIO SUITE». Теоретические положения, развитые в работе, включая результаты электродинамического

моделирования, получены с использованием теории многополюсных электрических цепей с распределёнными параметрами, метода наведенных электродвижущих сил, принципов эквивалентности объемных цилиндрических и печатных тонкопленочных излучающих проводников, а также верифицированы результатами натурных экспериментов.

Обоснованность и достоверность результатов обусловлена использованием классических методов электродинамических анализа излучателей с линейными цилиндрическими проводниками, корректным применением аппарата анализа многополюсных цепей СВЧ с распределенными параметрами, системным построением стратегии нелинейной параметрической оптимизации, а также совпадением результатов с известными частными случаями в ранее опубликованных работах других авторов, относящихся к классическим центрально-питаемым диполям, включая сопоставление данных, полученных расчетным и экспериментальным путём.

Научная новизна работы заключается в обобщении классической электродинамической теории дипольных директорных антенн на директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида, позволившем предложить методику проектирования с единых позиций новых типов печатных и печатно-волноводных директорных антенн.

Теоретическая и практическая значимость работы. В теоретическом плане значимость работы определяется расширением области знаний и представлений об электромагнитном излучении ДА. Значение для практики заключается в формировании эффективных методик проектирования ДА со свободной областью вблизи смежных концов половин линейных возбудителей дипольного вида.

На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Матричная форма записи геометрических и электрических параметров линейных дипольных излучателей позволяет обобщить их свойства и рассчитать электродинамические характеристики директорных антенн с проводниками цилиндрической формы, возбудители которых могут иметь центрально-концевое либо концевое питание.

2. Облик начального приближения печатной директорной антенны с возбудителем дипольного вида может быть адекватно сформирован посредством трёхэтапной методики, включающей процедуры оптимизации характеристик проводного прототипа, синтеза распределительной структуры и перехода к печатному эквиваленту.

3. Реализация центрально-концевого питания возбудителя печатной директорной антенны достигается при возбуждении смежного конца одного плеча и удалённого конца другого плеча диполя сигналами с выходов синфазного равноамплитудного делителя мощности.

4. Реализация концевого питания возбудителя печатной директорной антенны достигается при возбуждении удалённых концов обоих плеч диполя сигналами с выходов противофазного равноамплитудного делителя мощности.

Личный вклад автора определяется тем, что им выполнено обобщение методики проектирования ДА с классическими возбудителями на ВДВ с концевым и центрально-концевым питанием. Автор самостоятельно осуществил моделирование характеристик всех спроектированных антенн и контроль за их оптимизацией, разработку конструкторской документации на опытные образцы, их экспериментальное исследование. В работах, опубликованных в соавторстве, результаты, относящиеся к тематике данной диссертации, также получены лично автором при его определяющем участии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 11 международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012), Новосибирск, 2012 г., Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири», Новосибирск, 2014 г., 12 международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2014), Новосибирск, 2014 г., Всероссийская научная конференция молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2014 г., 53я международная научная студенческая конференция МНСК-2015, Новосибирск, 2015 г., XXII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (РЛНС-2016), Воронеж, 2016 г., 11

Международный Форум по Стратегическим Технологиям IFOST-2016, Новосибирск, 2016 г., 13 международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2016), Новосибирск, 2016 г., XVIII всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность. Оборона» (НПО-2017), Новосибирск, 2017 г., 18 Международная конференция молодых специалистов по микро / нанотехнологиям и электронным устройствам EDM 2017, 2017, XVIII Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (ПТиТТ-2017), Казань, 2017 г., 24я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-24), Томск, 2018 г., а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях студентов и аспирантов НГТУ (Новосибирск, 2012-2016 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ. Из них 6 статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 статья, индексируемая в базе данных «Web of Science», 2 статьи в рецензируемых журналах, 14 публикаций в трудах всероссийских и международных конференций, имеется 1 патент на изобретение и 2 свидетельства о регистрации топологий антенн.

Реализация и внедрение результатов исследований. Работа выполнена в рамках проведения госбюджетных НИР на кафедре «Радиоприёмные и радиопередающие устройства» НГТУ, а также в ходе выполнения Договора о научно-техническом сотрудничестве между НГТУ и Санкт-Петербургским предприятием «Всероссийский НИИ радиоаппаратуры» (ВНИИРА) и поддержана тремя грантами Минобрнауки: «Разработка теоретических основ построения сверхширокополосных измерительных аттенюаторов, полосковых эллиптических фильтров и высокодобротных резонаторов для радиофизического оборудования, радиопередающей аппаратуры связи и цифрового телевидения» (№ 7.1667.2011), «Теория построения и практическая реализация широкополосных микроволновых устройств, предназначенных для использования в измерительном оборудовании цифровых систем телевидения, связи и телекоммуникаций, включая вычислительные системы» (код проекта 629), «Разработка теоретических основ построения измерительного оборудования для телекоммуникационных систем, содержащего мощные СВЧ аттенюаторы, полосовые фильтры с заданными

частотами режекции и микрополосковые печатные антенны» (шифр 8.6847.2017/БЧ).

Полученные в работе результаты внедрены на предприятиях г. Новосибирска: в АО «НПО НИИИП-НЗиК» концерна «Алмаз-Антей» - при проектировании элементной базы антенных решёток с закрытым и открытым способами возбуждения; в ООО «НПП Триада-ТВ» и в ЗАО «Системы телевещания» - для реализации проектов перспективных изделий антенно-фидерных трактов приёмопередающей аппаратуры, включая системы цифрового телевидения; внедрение подтверждается тремя актами (приложение А).

Также разработанные программы и методики используются в учебном процессе кафедры «Радиоприемные и радиопередающие устройства» НГТУ, что подтверждается соответствующим актом (приложение А).

Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.12.07 «Антенны, СВЧ устройства и их технологии». Представленные в ней результаты соответствуют паспорту специальности: п. 2 «Исследование характеристик антенн и СВЧ устройств для их оптимизации и модернизации, что позволяет осваивать новые частотные диапазоны, обеспечивать электромагнитную совместимость, создавать высокоэффективную технологию и т. д.» и п. 3 «Исследование и разработка новых антенных систем, активных и пассивных устройств СВЧ, в том числе управляющих, фазирующих, экранирующих и других, с существенно улучшенными параметрами».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований отечественных и зарубежных работ, и двух приложений. Текст диссертации изложен на 163 страницах, содержит 74 рисунка и 8 таблиц.

1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК СУЩЕСТВУЮЩИХ ДИРЕКТОРНЫХ АНТЕНН

1.1. Классические директорные антенны

Принцип фокусировки электромагнитного излучения в выбранном телесном угле окружающего пространства предложен известным японским исследователем в области антенной техники Хидетсугу Яги (НЫ^Б^и Yagi) в патенте [1]. Здесь же описана многоэлементная АС, реализующая упомянутый принцип (Рисунок 1.1). В её состав входит активный цилиндрический диполь 1, играющий роль возбудителя системы, и несколько пассивных цилиндрических проводников 2, 3, 3', 4 и 4', называемых рефлекторами, отражающих излучение возбудителя и расположенных параллельно ему на воображаемых плоскостях, пересечение которых образует тупой угол, на биссектрисе которого расположен возбудитель. За счет такой компоновки возбудителя и рефлекторов излучение возбудителя и вторичные электромагнитные поля рефлекторов концентрируются в направлении упомянутой биссектрисы, на которой установлены разнесённые на определенные расстояния друг от друга пассивные цилиндрические проводники 5, 5', 5", 5''' и 5"", играющие роль направителей (директоров) сфокусированного рефлекторами излучения. Это позволяет достичь ещё большей степени концентрации излучения в направлении директоров, причем радиусы цилиндрических проводников весьма малы по сравнению с длиной излучаемой радиоволны. При этом средние точки возбудителя, рефлекторов и директоров лежат в горизонтальной (Рисунок 1.1) плоскости, ортогональной всем этим элементам.

Рисунок 1.1 - Директорная антенна согласно патенту Х. Яги [1]

В дальнейшем с целью сокращения габаритов цилиндрические проводники 3, 3', 4 и 4' были исключены из рассмотрения, и был оставлен лишь проводник 2, лежащий в одной вертикальной (Рисунок 1.1) плоскости с возбудителем и директорами, число которых может быть произвольным. Геометрическое место точек пересечения упомянутых ортогональных плоскостей образует прямую линию, являющуюся направлением максимального излучения этой АС, получившей в отечественной литературе название «директорная антенна» [2]. В ряде работ эта антенна носит название «волновой канал», в частности в работе [3]. В англоязычной литературе используется название "Yagi-Uda antenna''", образованное по фамилиям автора как патента [1], так и последующих его работ в этой области [4, 5], а также ещё одного японского специалиста Шинтаро Уда (Shintaro Uda), внесшего свой вклад в исследования ДА [6]. В частности, в патенте [5] Х. Яги предложил изменять направление максимального излучения АС за счет переключения источника высокочастотного гармонического напряжения (генератора) на тот или иной возбудитель 21-28 (Рисунок 1.2, нижний левый фрагмент), причем использовался полуволновый диполь с несимметричными частями (Рисунок 1.2, нижний правый фрагмент). В свою очередь, в работе [6] Ш. Уда предложил располагать директоры со сдвигом их средних точек по вертикали (Рисунок 1.3), чем было достигнуто отклонение максимума ДН от поверхности Земли в сторону зенита.

Рисунок 1.2 - Модификации директорных антенн согласно патенту Х. Яги [5]

о- шаие МгесТо^п} 1опс т^ Рисунок 1.3 - Вариант директорной антенны согласно работе Ш. Уда [6]

За истекшие 90 лет с момента подачи заявки на выдачу патента [1] и опубликования в англоязычной литературе пионерской работы [4] ДА получили всемирную известность и нашли применения в различных областях радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиопозиционирования и телевидения. Предложенная Х. Яги АС неоднократно модернизировалась, и на её основе

разработаны многочисленные удачные технические решения и эффективные коммерческие проекты (например, телевизионные ДА, установленные над каждым подъездом жилых многоквартирных домов), широко освещённые в литературе [7]-[18]. В указанных работах детально описан ключевой электродинамический механизм излучения ДА, согласно которому рефлектор и ближайший к дипольному возбудителю директор, будучи правильно настроенными, концентрируют излучение в направлении директора. Поток энергии в данном направлении создает благоприятные условия для возбуждения на поверхности второго директора тока проводимости, амплитуда и фаза которого зависит от его длины и расстояния до первого директора. При правильном выборе указанных длины и расстояния вторичное поле второго директора, интерферируя с излучением первых трёх элементов антенны, способствует ещё большей концентрации энергии в направлении директоров. Степень концентрации возрастает по мере увеличения числа директоров, хотя темпы её приращения замедляются, что ограничивает число используемых директоров при практической реализации. Конкретные величины длин элементов ДА и расстояний между ними определяются нелинейными методами поиска экстремума целевой функции (ЦФ) многих переменных, в качестве которой могут фигурировать линейные комбинации коэффициента направленного действия (КНД), коэффициента усиления, коэффициента защитного действия и ряда других показателей при условии, что в результате оптимизации реактивная составляющая входного сопротивления возбудителя становится равной/близкой к нулю, а вещественная составляющая - равной/близкой к внутреннему сопротивлению генератора.

В результате, входной коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) Кст и на входе возбудителя становится минимальным и близким к единице, а излучение в направлении директоров - максимально сконцентрированным. Соответствующие расчетные процедуры, графики и номограммы, а также компьютерные программы, обеспечивающие достижение этого результата, опубликованы как в отечественной, так и в зарубежной литературе. При этом следует подчеркнуть, что в качестве возбудителей подавляющего большинства ДА используется классический диполь (линейный или петлевой), питаемый в центре (Рисунок 1.4) на смежных, близко

расположенных в пространстве, клеммах - так называемый «центрально-питаемый диполь» (по англоязычной терминологии - iCcenter-feddipole" [10], [11].

Ко ¡хгдц

Рисунок 1.4 - Вариант директорной антенны [10], [11]

Однако, при изменении частоты генератора в ту или иную сторону от оптимальной частоты настройки ДА (называемой центральной частотой её рабочего диапазона) нарушаются как амплитудные, так и фазовые соотношения в интерферирующих электромагнитных полях от отдельных элементов антенны. В результате, входной КстП при расстройке частоты весьма быстро ухудшается и

форма ДН антенны начинает сильно искажаться, включая отклонение её максимума от первоначального положения на центральной частоте. Это обусловливает узкополосность антенны: при уровнях входных КстП < 1,5

относительная полоса рабочего диапазона не превышает несколько процентов и чем больше директоров - тем уже полоса рабочих частот. К тому же, работа вышеописанных в [7]-[18] ДА на гармониках исключена, то есть, ДА является однодиапазонной по своей природе. Так, в работе [15, с. 48] описана вибраторная трёхэлементная директорная антенна сантиметрового диапазона. Она предназначена для использования в радиоаппаратуре посадки самолётов. При этом описанная антенна является фактически половиной ДА с центрально-питаемым дипольным возбудителем. Представляется, что такую антенну, после её модернизации, можно использовать не только при посадке самолётов, но и при решении задач диагностики технического состояния крупноапертурных антенных

решёток, осуществляемой облётным методом на основе принципа пространственно-распределённой виртуальной сфокусированной апертуры [16].

Далее следует, всё-таки, отметить, что предпринимались удачные попытки расширить рабочий диапазон ДА за счет использования центрально-питаемых диполей с У-образными половинами (Рисунок 1.5) или логопериодической структурой возбудителя (Рисунок 1.6) [19]. Однако, столь громоздкие конструкции не нашли широкого применения, а их реализация в печатном исполнении представляется весьма проблематичной и вряд ли оправданной и возможной.

Рисунок 1.5 - Вариант директорной антенны с У-образными диполями согласно

работе [19]: а) 23 элемента; б) 91 элемент

Рисунок 1.6 - Вариант директорной антенны с логопериодическим возбудителем

из петлевых диполей [19]

1.2. Печатные директорные антенны на фольгированных

диэлектриках

По мере освоения дециметровых и более коротких диапазонов волн элементы ДА стали выполняться в виде плоских ленточных проводников, сформированных по субтрактивной технологии [20] на несущей диэлектрической подложке со сравнительно небольшой относительной диэлектрической проницаемостью. При этом длины элементов и расстояния между ними всё более сокращались вплоть до нескольких сантиметров и менее, особенно на частотах порядка 10~20 ГГц. К настоящему времени опубликованы сотни работ, посвященных печатным полосковым ДА, реализованным методами избирательного травления фольги с пробельных участков одной или обеих сторон диэлектрической заготовки, которая изначально полностью фольгирована.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бухтияров Дмитрий Андреевич, 2018 год

/ ■

о / /

2

о ч /

Г1

'А

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I

а) б)

Рисунок 2.8 - Сравнение активных (а) и реактивных (б) составляющих входного импеданса ИДВ с концевым (2) и центральным (1) питанием

Анализ Рисунков 2.7, 2.8 позволяет даже без расчёта коэффициента отражения (согласно 2.38) определить, что согласование ИДВ с разнесёнными клеммами по активной составляющей входного импеданса 100 Ом с двумя линиями передачи (50 Ом) достигается при длине плеча около 0,27Ас; несколько большей, чем длина 0,21Яс, при которой центрально-питаемый диполь согласован с балансной линией (50 Ом) по активной составляющей и вдобавок практически настроен в резонанс. Настройка (равенство нулю реактивной составляющей входного импеданса) для ИДВ с разнесёнными клеммами выполняется при длине плеча порядка 0,37Ас. В связи с этим гипотеза о том, что согласование и настройка ДА с ВДВ потребуют некоторого удлинения возбудителей, нуждается в дальнейшей проверке.

Для последующего ЭДА в дальней зоне необходимо задать на основе (2.3), (2.4) два ИДВ с взаимно перпендикулярной ориентацией, радиусом плеч 2 мм и длиной плеч, на частоте = 3,15 ГГц принимаемой равной 0,35 Ас, что в среднем соответствует изложенным выше условиям согласования и настройки. В результате матрицы [Л8ее] рассматриваемых одиночных ИДВ будут иметь следующий вид:

5 5 + А/2 5 90° 90° 0,033 -) 0,5 ) 0,5 66 5 5 — А/2 5 90° 270° 0,033 0,5 0,5 66 , (2.40)

У0 В ( I АРет/ Аэет/ Г

[ ^^ ] —

ЛБ

ррер

5 5 5 + А/ 2 0 0 0,033 -¡0,5 ¡0,5 66 5 5 5-А/2 180° 0 0,033 }0,5 -}0,5 66 . (2.41)

X0 У0 1° в ( / ЛРеш/ ЛОет/ У

Таким образом, в подразделе было дано подробное описание работы алгоритма ЭДА АС на этапе расчёта характеристик в ближней зоне излучения. В числе прочего было продолжено исследование одиночных ИДВ с нестандартным возбуждением, а их характеристики в дальней зоне будут получены на завершающем этапе ЭДА.

2.4. Электродинамический анализ антенных систем в дальней зоне излучения

В результате решения внешней задачи в ближней зоне была предложена модифицированная матрица конфигурации [А8ее], в каждой строке которой содержится шесть геометрических и три электрических параметра:

X0! У0! г0! в1 ( ¡1 ЛРеш/1 ЛОеш/1 У\

[ ЛБРР ] =

(2.42)

х0г У0г Щ в (г /г ЛРеш/г ЛОеш/г Уг

Используемые далее в работе процедуры ЭДА АС в дальней зоне основаны на следующих выражениях. Вначале рассчитываются три составляющие электрического поля каждого плеча в общей ДСК [41]:

j

Е(Х,7,7). =11 (ЛРг,ЛОг ,Уг,е

-1 008 в. 008 в

Г1 ■ п ^

кх ооБрБтв + +ку бш р бш в +

+к, 00Б в

dz'. (2.43)

В выражении (2.43) учитываются углы ориентации плеча в, р, а один из коэффициентов кх, к у, к г принимает значение 1 для расчёта соответствующей

составляющей (два других в это время равны 0). Затем рассчитываются угломестная и азимутальная компоненты поля всей АС в общей ССК:

2Q jk Ee = cos в cos (p^ e

i=i

x0, sin в, cos (i + +У0i sin в, cos (i + +z0, cos в,

2Q Jk

Ex, + cos в sin p^ e

'x0, sin в,- cos p, + +У 0i sin в,- cos (i + 4+z0, COsв;

E

2Q jk - sin в^ e i=i

X0, sin в cos p +У 0, sin 6j cos Pi +z 0; cosв,■

E

Z, '

2ß Jk Ep = - sinp£e

X0, sin в, cos Pi +У 0, sin в, cos Pi +z0, cosв,■

i=l

2ß jk Ex, + cosp^ e i=\

X0, sin в, cos pi +У 0j sin в, cos p, z0, cosвi

E

Y, '

(2.44)

(2.45)

где 2Q - число плеч ИДВ в АС. Через компоненты (2.44), (2.45) возможен расчёт всей информации о поле АС, в том числе фазовых ДН и поляризационных характеристик. Суммарная напряженность электрического поля АС в ДЗ определяется через (2.44) и (2.45) как

Ex(ASff,в,p)= JEeTe + EpEp . (2.46)

Выражение (2.46) реализовано в виде процедуры расчёта поля Eint, посредством которой:

1) Выполняется пороговая обработка значений поля, что позволяет избежать ошибок при расчёте логарифмических величин. В работе принят порог -70 дБ.

2) При наличии отражающей плоскости излучение в расположенную за ней полусферу должно отсутствовать, поэтому суммарное поле Ex обнуляется (т.е. подвергается пороговой обработке) для всех углов ССК, не входящих в

автоматически определяемый по вектору ХУ1ёГ диапазон [^т1п..^тах], [#ть Дпах]-

Далее средняя излучаемая мощность определяется через (2.46) как поток вектора Пойнтинга через поверхность сферы в дальней зоне:

2 pmax втах 2

|E| = J J |E^(ASff,ß,p)\ sin^dödp.

pmin ^min

(2.47)

Интегрирование (2.47) по поверхности сферы в дальней зоне позволяет определить сопротивление излучения АС, для которого использованы обозначения Яг - в свободном пространстве, Яг ёГОип^ - над отражающей плоскостью. Для этого

(2.47) умножается на частотно-зависимый коэффициент:

*=iei2Wn (248)

Расчёт по (2.48) также необходим для верификации методики ЭДА. В [73] доказано, что выражение (2.48) в замкнутом виде может быть получено при непосредственной аналитической подстановке радиуса плеча a = 0 в выражение для активной составляющей комплексного входного импеданса АС в ближней зоне Re(ZjN) (2.37); при этом в реактивной составляющей Im(ZIN) возникает неустранимая особенность вида cos(a)/a.

Процедуры E1 и E_dB обращаются к процедуре Eint для построения поверхностей нормированных ДН в телесном угле 4п стерадиан с шагом в 1° (при необходимости иным), в линейном и логарифмическом масштабах соответственно. Входными параметрами этих процедур также являются углы #_cut и ^_cut для построения ДН в интересующих сечениях.

Процедура KND использует формулу расчёта коэффициента направленного действия в определённом направлении

D = 4ПЕ2 ( ASff Лр)/\Б\2 (2.49)

для аналогичного процедурам Е1 и Е_dB построения поверхности КНД и её сечений в интересующих плоскостях.

В связи с тем, что в дальнейшем ЭДА АС потери в их проводниках не учитываются, корректным будет определение КУ через (2.38) и (2.49):

е = D (1 - КОТР ), (2.50)

где множитель в скобках имеет смысл коэффициента полезного действия (КПД) и равен 0 при полном отражении и 1 при его отсутствии (излучении 100% мощности).

Отметим особенности ЭДА АС в дальней зоне при наличии бесконечной идеально отражающей плоскости. В ранее опубликованных работах комплексная амплитуда векторной напряженности электрического поля в дальней зоне в верхней (по отношению к плоскости) полусфере неоднократно определялась перемножением горизонтальной компоненты поля уединенного (верхний индекс sol) ИДВ и множителя решётки из двух точечных изотропных излучателей,

расположенных в центрах реальных ИДВ: E = Esrolf2(0,p). Поскольку зачастую

рассматривалась угломестная компонента Eseo1, то множитель решётки имел вид

f2 = e -kh sin^ + Fr ejkh При этом оказывались возможными как

численный расчёт сопротивления излучения Rr ground по формулам (2.46)-(2.48),

так и вывод для него выражения в замкнутой форме с представлением, аналогичным (2.39). Методика непосредственного двукратного интегрирования Rr ground по углам ССК (2.48) изложена в [74], однако из-за громоздких выкладок

её трудоёмкость крайне высока. Аналогичный результат проще получить путём непосредственной аналитической подстановки радиуса плеча a = 0 в выражение

активной составляющей комплексного входного импеданса (2.39) Re (Zground ): Rr_ground(^,N,Nr) = 2—{r + ln(2k1) - Ci(2k1) - 2Ci(2kh) + Ci(k(V4h2 +12 -1 +

+Ci (k U 4h2 +12 +1V| - sin(k1 )2 (1 - sinc(2kh)) + cos(^) fsin(k/ )2 [(N л Nr) (sinc(2k1) -

- Sine

(2kVh2 +12 ) j + (N1 © Nr)(sinc(W4h2 +12 ) - sinc(k1) J - N v Nr (sinс(2kh) -1)] + 0.5(-1)N + Nr cos((N + N~r)k1 )(y + ln(k1) + Ci(4k1) - 2Ci(2k1) - 2Ci(2kh) +

+2Ci(k(V4h2 +12 +1)) + 2Ci(k(V4h2 +12 -1))-Ci(2k(л/h

+ 1Z -11 -

- Ci (2k (V h 2 +12 +1))j + sin ((N + Nr) k1 )jsi(4k1) - 2Si(2k1) + 2Si (k (V 4h 2 +12 +1) -2Si ( k (V4h2 +12 -1) j + Si ( 2k (Vh2 +12 -1) j - Si ( 2k (Vh2 +12 +1) j

Продолжим исследование характеристик одиночных ИДВ в свободном пространстве. Поскольку ДН выбранных для примера одиночных ИДВ с разным типом возбуждения мало отличаются друг от друга даже при взаимно перпендикулярной ориентации, на Рисунке 2.9 покажем объёмные нормированные ДН, рассчитанные по матрицам (2.40) и (2.41) на частоте 3,15 ГГц для ИДВ: с центрально-концевым питанием (2.40) - в линейном масштабе, с концевым питанием (2.41) - в логарифмическом масштабе (процедуры Е1 и E_dB соответственно).

а) б)

Рисунок 2.9 - Поверхности ДН ИДВ: а) - с центрально-концевым питанием; б) - с концевым питанием (дБ)

В связи с тем, что ДН одиночных ИДВ всенаправленны в плоскости Н, на

Рисунке 2.10 представлены сечения в плоскости Е для двух ДН с Рисунка 2.9, а также поверхности КНД для ИДВ с центрально-концевым питанием.

а) б) в)

Рисунок 2.10 - Сечения характеристик направленности ИДВ: а) - с центрально-концевым питанием (ДН); б) - с концевым питанием (ДН, дБ); в) - с центрально-концевым питанием (КНД)

С целью верификации алгоритма ЭДА в Таблице 2.1 приводятся результаты расчётов КНД по (2.49) для одиночных ИДВ с разными типами возбуждения в направлении максимума. Данные для центрально-питаемого диполя полностью совпадают с приведёнными в [45].

Таблица 2.1 - Зависимость КНД одиночных ИДВ от длины плеча

Нормированная длина плеча у. / л КНД для разных типов возбуждения

Центральное Центрально-концевое Концевое

0,25 1,6 = 2,2 дБ 1,7 = 2,4 дБ 1,8 = 2,7 дБ

0,37 1,9 = 2,7 дБ 2 = 3 дБ 2,2 = 3,4 дБ

0,5 2,4 = 3,8 дБ 2,4 = 3,82 дБ 2,4 = 3,8 дБ

0,62 3,3 = 5,1 дБ 2,7 = 4,3 дБ 2 = 3,1 дБ

Сравнение данных Таблицы 2.1 для ИДВ с разносом клемм и классического диполя, при выбранных длинах плеч (0,37Ас и 0,25Яс соответственно) настроенных в резонанс (с компенсацией реактивной составляющей входного импеданса - Рисунки 2.7, б, 2.8, б) демонстрирует повышение КНД на 0,6 дБ и 0,7 дБ (ИДВ с центрально-концевым и концевым питанием соответственно) относительно КНД классического диполя. В связи с этим гипотеза о том, что для ДА с незначительно удлинёнными ВДВ достижим КНД больший, чем для их классических прототипов, нуждается в дальнейшей проверке.

2.5. Основные результаты Раздела 2

1. Представлена матричная форма записи параметров произвольной антенной системы с линейными излучателями дипольного вида, позволяющая свести воедино геометрические и электрические параметры излучателей, требуемые на всех этапах анализа.

2. Проведено обобщение метода решения внутренней задачи линейного центрально-питаемого диполя на впервые предложенные излучатели дипольного вида с центрально-концевым и концевым питанием.

3. Установлено, что перестановка клемм питания на концы тонких линейных излучающих проводников приводит к модифицированной форме аналитической записи распределения тока вдоль них.

4. Выполнено обобщение предложенного ранее для центрально-питаемых диполей подхода к расчёту характеристик антенных систем в ближней зоне на излучатели с центрально-концевым и концевым возбуждением гармонической ЭДС.

5. Показано, что все характеристики антенной системы в дальней зоне, такие, как диаграмма направленности, сопротивление излучения и коэффициент направленного действия, могут быть оперативно рассчитаны в рамках предложенного подхода при матричном описании излучающей системы. Оперативность необходима для формирования облика первоначального приближения проектируемых в последующих Разделах печатных антенн в системах трёхмерного полноволнового электродинамического моделирования.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИРЕКТОРНЫХ АНТЕНН С ВОЗБУДИТЕЛЯМИ ДИПОЛЬНОГО ВИДА

В данном Разделе прорабатываются вопросы, связанные с отдельными этапами методики формирования облика начального приближения печатной ДА с ВДВ, и соблюдается следующий порядок решения задач:

1) Исследование процедур оптимизации характеристик проводных прототипов печатных ДА. При этом среда «MathCAD», используемая для активной разработки и совершенствования обобщённой математической модели АС в рамках функционально-декларативного подхода, оказывается пригодной для расчёта целевой функции характеристик АС, но не содержит готовых эффективных алгоритмов многокритериальной оптимизации. Данный недостаток преодолён использованием пакета расширения «Optimization Toolbox» среды «MATLAB», который применяется для оптимизации конкретных конфигураций ДА. Обмен данными (входные параметры, значения ЦФ) между средами осуществляется посредством технологии управляющих элементов ActiveX.

2) Исследование особенностей адаптации и синтеза распределительных структур в печатном и волноводном исполнениях, предназначенных для питания ВДВ.

3) Обоснование и адаптация алгоритма перехода от проводной ДА к её печатному эквиваленту.

Результаты, представленные в данном Разделе, были частично опубликованы в работах [78], [80]-[83], [87], [96], [97], [101].

3.1. Синтез директорных антенн с возбудителями дипольного вида

Опираясь на результаты исследований, изложенные в Разделах 1 и 2, можно обобщить известный для классических ДА (и прочих АС с линейными излучателями) факт на АС, содержащие ИДВ: характеристики таких АС, согласованных с источником сигнала, сохраняются в узком диапазоне изменения относительных геометрических параметров ДА. Это значит, что деградация характеристик ДА возникает как при отстройке от частоты согласования, так и при изменении длин излучателей и межэлементных расстояний, и выражается в искажении формы ДН, появлении и резком росте реактивной составляющей комплексного входного импеданса ДА, приводящем к возрастанию КСВН, величина которого должна быть ограничена Кст и < 1,5 в режиме передачи.

Именно поэтому в литературе, посвященной исследованию влияния параметров ДА на её характеристики ([2], [7], [41], [60]), варьирование параметров происходит не в произвольных пределах, а при расстройке относительно оптимальных значений, обеспечивающих требуемые КСВН и КУ. В случае классической ДА величины таковых могут приниматься равными Лс/4 (длина

плеча, межэлементное расстояние). Следует отметить, что вопросы, связанные с уровнем кросс-поляризационного излучения классических ДА, в известной на сегодняшний день литературе обычно не рассматриваются; к примеру, отношение компоненты поля ДА, параллельной плоскости расположения элементов, к перпендикулярной к ней кросс-поляризационной компоненте, составит не менее 40 дБ, что свидетельствует о высокой чистоте поляризации тонкопроволочной ДА.

В связи с этим исследование предлагаемых в работе ДА должно начинаться с параметрического синтеза их конфигураций, суть которого состоит в поиске методами нелинейной многокритериальной оптимизации длин цилиндрических излучателей и расстояний между ними, обеспечивающих значения частных критериев ниже адекватно выбранного порога. Взвешенная сумма частных критериев с весовыми коэффициентами, имеющими смысл штрафных, формирует аддитивную целевую функцию АС [75]. Конкретно для ДА, как показано в [76], в

качестве парциальных ЦФ могут выступать либо непосредственно активная и реактивная составляющие входного импеданса и значения ДН в определённых секторах углов, либо такие показатели качества, как коэффициент отражения, КНД, КУ, коэффициент помехозащищённости.

Согласно [62], для оптимизации целесообразно требовать на одной заданной частоте нулевого значения реактивной составляющей входного импеданса ДА, максимально достижимого КНД в направлении директоров, а также по возможности близкого к 50 (100) Ом значения активной составляющей входного импеданса ДА со смежными (разнесёнными) клеммами питания возбудителя. Активная составляющая чаще всего может трансформирована к требуемому уровню с помощью классических решений, в которых помимо трансформации обеспечивается симметрирование возбуждающих напряжений.

С учётом этого, суммарные ЦФ всех синтезируемых ниже ДА задавались с единых позиций:

^л (Я, БЛ,ф,в) = |100 - акЯш | + а х\Хш\ + ап D(p, в), (3.1)

где весовые коэффициенты ак = 2 ^Ом-1 (для возбудителя со смежными

клеммами) либо ак = 1 Ом-1 (для ВДВ с разнесёнными клеммами),

ах = 3

Ом

к

, ап = -0,7 необходимы как для учёта вклада частных критериев в

ЦФ (3.1), так и для их приведения к безразмерным величинам [75]. В соответствии с вышеперечисленными требованиями, минимизация функции (3.1) произойдёт при равенстве активной составляющей импеданса ДА (2.37) 50 (100) Ом, равенстве нулю реактивной составляющей (2.37), максимизации КНД (2.49) в заданном направлении. Следует отметить, что помимо ЦФ в задачу может добавляться пороговое условие, соответствующее требуемому КНД с учётом оценочного значения, взятого из справочной литературы [67].

Именно наличие подробных решений множества электродинамических, математических и других задач, связанных с ДА с центрально-питаемыми возбудителями, позволяет говорить о существовании методик сквозного проектирования классических ДА. Представляется, что практическая ценность

использования ДА с ВДВ будет зависеть от принципиальной возможности создания аналогичной методики для них. Важное в этой связи обобщение результатов целесообразно формировать при сравнении новых конфигураций с прототипами, которое осуществляется при параллельном исследовании ДА с ВДВ тремя разных видов (с разными способами питания) по процедурам Раздела 2.

Нестандартное питание ВДВ приводит к необходимости отказа от дополнительных ограничений, налагаемых на проектное пространство в случае ДА с классическими возбудителями [76]. В частности, соотношения между длинами диполей и расстояниями между ними могут не соответствовать облику, в котором рефлектор имеет наибольшую длину 1ге^, а каждый следующий элемент короче

предыдущего.

Все исследуемые далее антенны (для примера на Рисунке 3.1 -четырёхэлементная ДА) расположены в плоскости ХОУ (2=0 для всех излучателей) для возможности построения сечений ДН ДА в плоскостях электрического вектора Е и магнитного вектора Н на едином полярном графике, при изменении вспомогательного угла у от 0 до 360°:

Е: 0<р<360е

0<у< 360е

в си =90е т

Н : 0<в<180е 0<в<180е

р_си=90\ ^ 0<у<360е

р_си=270

Е: вобр = 90е, робр = 270е Н: вПр = 90е, рпр = 90е , .

где впр, рпр - направление максимума излучения по оси ДА (положительное

направление оси У - в сторону директоров), вобр, робр - направление заднего

лепестка ДН ДА (отрицательное направление оси У - соответствует обратному излучению ДА), в _си\ и р_ си - углы сечения соответственно в азимутальной

(Е) и угломестной (Н) плоскостях ДН ДА.

Рисунок 3.1 - Расположение директорной антенны в ДСК Выбор для исследуемых ДА с ВДВ расчётной частоты /с = 3,15 ГГц (Лс = 95,2 мм) обусловлен известными [77], [78] достоинствами использования печатных ДА в качестве элементарных излучателей ФАР мобильных радиоэлектронных комплексов, работающих в диапазоне Лс = 10 см.

Особенности выполнения оптимизации в работе будут проиллюстрированы на примерах синтеза базовых двухдипольных АС с ВДВ в связи с тем, что именно с двухдипольных антенн начинается анализ классических ДА с большим числом элементов ([2], [7], [41], [60]).

3.1.1. Синтез двухдипольных антенных систем

Синтез двухдипольных АС, содержащих активные ВДВ трёх разных видов, осуществляется с единых позиций, для чего формируется матрица

[ ^2 ] =

0 0 0 0 90° 1се/ 0,7 0 0 0 1 0

0 0 0 180° 90° 1се/ 0,7 0 0 п 1 0

0,1 лсЛ С г сг/ 0 0 90° 1Сс1 0,7 N 2сс 1 1 0 1 0

-0,1 лСЛ Ссг/ 0 180° 90° 1Сс1 0,7 N1* 1 п 1 0

х0 У 0 2 0 <Р в 1 а N А Ф тв а

(3.3)

Визуализация такой АС соответствует Рисунку 3.1, на котором остаются только элементы №1 и №2. Пассивный короткозамкнутый диполь с длиною плеча 1ref и

нулями тока на концах, по этой причине эквивалентный центрально-питаемому диполю, расположен в начале координат. Относительно него по оси Y на расстояние d^f смещён ВДВ с длиною плеча 1dri и способом питания, определяемым N1dri, N2dri. Все размеры даны в миллиметрах, зазор и радиус ВДВ являются электрически малыми для длины волны Лс.

Исследование двухдипольных АС традиционно проводится для двух случаев: пассивный элемент играет роль либо рефлектора (максимизация КНД АС в направлении впр, рпр), либо директора (максимизация КНД АС в направлении

вобр, фобр). В первом случае ЦФ формируется согласно (3.1) как SDA (лс,[DA2 ],90°,90°), во тором случае - как SDA (Лс,[DA2 ],90° ,270°).

Настройки вычислительных сред для начала оптимизации производятся следующим образом. Один рабочий лист «MathCAD» содержит ЦФ (вместе с минимумом выражений для её расчёта) для одной конфигурации АС. Этой же конфигурации соответствует один m-файл «MATLAB», в котором настроено обращение в лист «MathCAD» (передача параметров, приём значения ЦФ) и запуск пакета расширения «Optimization Toolbox». В нём, в свою очередь, задаётся порог ЦФ, диапазон варьирования параметров, настройки алгоритма оптимизации. В работе использовался генетический алгоритм с настройками среды «MATLAB» по умолчанию. Время расчёта одной итерации для самой сложной (в пределах работы) четырёхэлементной ДА составило не более 12 сек.

Центральным в диапазоне варьирования межэлементных расстояний - для всех конфигураций и длин плеч - при питании возбудителя в центре - являлось значение Лс/4. Центральным в диапазоне изменения длин плеч ВДВ с

разнесёнными клеммами являлось значение 0,37Лс (согласно п. 2.3) при условии, что плечо рефлектора может быть длиннее. Результаты оптимизации для первого случая (ВДВ и пассивный короткозамкнутый рефлектор) представлены в Таблице 3.1, на Рисунке 3.2 представлены сечения ДН АС с ВДВ трёх разных видов (а -

центральное, б - центрально-концевое, в - концевое питание) и параметрами из Таблицы 3.1.

Таблица 3.1 - Возбудитель дипольного вида с пассивным рефлектором

Параметры АС Питание ВДВ

Центральное Центрально-концевое Концевое

Опт имальные размеры d \ dn df , мм l fer ' ^ ref У ( 20,4 ^ 19 25 2 (36,5 ^ 14 1 48 ) (38,8 ^ 14 150 У

Опт имальные размеры (l Л dri df , лс l ™fer> С ref y ( \ 0,214 ^ 0,2 0,265 y (0,383 ^ 0,147 ^0,504 ) (0,407 ^ 0,147 ^0,525 У

Входной импеданс, Ом 42,9+j0,3 201,8-|0,2 273,2-j0,6

Сопротивление излучения, Ом 43 203,1 275,3

Площадь размещения АС, Яс 0,053 0,074 0,077

КНД (90°,90°) дБ КНД(270°,90°)' 5,8 -5,2 7,6 -1,5 8,3 0

а) б) в)

Рисунок 3.2 - ДН двухдипольных АС с ВДВ и пассивным рефлектором:

плоскость Е (сплошная), плоскость Н (пунктир)

В Таблице 3.1 приведены оптимальные размеры в миллиметрах и относительных (к длине волны) единицах. Антенна с такими параметрами имеет

входной импеданс, также приведённый в Таблице 3.1, с взаимной проверкой расчётов в ближней и дальней зонах. Поскольку пара разнесённых симметричных излучателей вместе с линиями, соединяющими их концы, образуют трапецию, в Таблице 3. 1 приводятся относительные площади, занимаемые такими АС, а также КНД в прямом (впр, фпр) и обратном (вобр, фобр) направлениях. Аналогичным

образом в Таблице 3.2 представлены результаты оптимизации для второго случая (ВДВ и пассивный короткозамкнутый директор), на Рисунке 3.3 представлены сечения ДН АС с ВДВ трёх разных видов (а - центральное, б - центрально-концевое, в - концевое питание) и параметрами из Таблицы 3.2.

Таблица 3.2 - Возбудитель дипольного вида с пассивным директором

Параметры АС Питание ВДВ

Центральное Центрально-концевое Концевое

Опт имальные п ^ Жг Л^г 1 аЖг1 У размеры , мм (18,6 ^ 10,7 I23,1 ) (21,7 ^ 16,6 I38,2 ) (21,9 N 17 I40,5 )

Опт имальные (! ^ Ж'г Л^'г \1Жп У размеры 0,195 0,112 ,0,243 N / \ '0,228 0,174 ч 0,401 (0,23 N 0,179 ^0,425 )

Входной импеданс, Ом 43,5-]0,1 243,2+]0,3 431,8+]0,6

Сопротивление излучения, Ом 43,7 245,1 434,7

2 Площадь размещения АС, Яс 0,027 0,07 0,076

КНД (90°,90°) дБ КНД(270°,90°)' -3 5,1 6,1 5,9 6,5 5,7

а) б) в)

Рисунок 3.3 - ДН двухдипольных АС с пассивным директором и центральным (а), центрально-концевым (б) и концевым (в) питанием ВДВ:

плоскость Е (сплошная), плоскость Н (пунктир)

Трудность получения чисто активного входного импеданса 50 Ом для классических ДА отмечается также и в [76], где разброс значений импедансов исследуемых ДА составлял от 25 Ом до 60 Ом. В целом, как следует из представленных результатов, гипотезы, представленные в Разделе 2, подтвердились: ДА с разносом клемм ВДВ имеют КНД больший, чем ДА с классическим возбудителем, за счёт большей длины элементов. С одной стороны, такие параметры позволили максимально приблизиться к цели; с другой стороны, для достижения цели и получения чисто активного импеданса 100 Ом не хватило степеней свободы (в том числе количества излучателей в ДА). Их не хватило также и для полной инверсии излучения ДА с разносом клемм ВДВ во втором случае, в то время как классический диполь демонстрирует возможность удовлетворительной работы с одним директором, в отсутствии рефлектора. Создание высококачественных распределительных структур в печатном исполнении с трансформацией от 50 Ом к 200 Ом либо 400 Ом (Таблицы 3.1, 3.2) затруднительно; тем не менее, для возбуждения таких антенн могут быть использованы линии передачи с высоким волновым сопротивлением.

Полученные оптимальные значения будут использованы в качестве начальных при дальнейшей оптимизации, в которой в рассмотрение добавляется ещё один элемент. При этом максимизация КНД директорных антенн будет потребована

только в направлении директоров впр, фпр, что соответствует ЦФ (3.1) вида ^ (Яс, 0Л,900,90°).

3.1.2. Синтез трёхэлементных директорных антенн

Синтез трёхэлементных ДА, содержащих активные ВДВ трёх разных видов, осуществляется с единых позиций, для чего формируется матрица

[ ПЛЪ ] =

0 0 0,1 -0,1 0 0

х0

'йп

гее

йп гее

уап, та

йге! + йап тйп , тЖг

йгее + йап

У 0

0 0 0 0 0 0

г 0

0 180° 0 180° 0 180° <Р

90° 90° 90° 90° 90° 90° в

гее гее йг йг Лг Лг

0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 а

0 0 N1 N 2 0 0 N

йг1

0 0 1 1 0 0 Л

0 180° 0 180° 0 180° Ф

ш.

0 0 0 0 0 0 а

(3.4)

Визуализация ДА с матрицей конфигурации (3.4) соответствует Рисунку 3.1, на котором остаются элементы №1, №2 и №3. Пассивный короткозамкнутый рефлектор с длиною плеча ¡гее расположен в начале координат, относительно него

по оси У на расстояние й^} смещён ВДВ с длиною плеча ¡¿^ и способом питания, определяемым N1^, N2^, относительно него по оси У на расстояние йй^ смещен пассивный короткозамкнутый директор с длиною плеча ¡¿¡г .

Целевая функция задачи формируется согласно (3.1) как (Я,[ Щ ] ,90°,90°). Настройки оптимизации отличаются от п. 3.1.1 только

добавлением двух параметров (с соответствующими начальными значениями) и увеличением ожидаемого значения (порога) КНД. Результаты оптимизации представлены в Таблице 3.3, на Рисунке 3.4 представлены сечения ДН ДА с ВДВ трёх разных видов (а - центральное, б - центрально-концевое, в - концевое питание) и параметрами из Таблицы 3.3.

Таблица 3.3 - Параметры трёхэлементных директорных антенн

Тип питания

Параметры ДА Центральное Центрально-концевое Концевое

Опт имальные ' 1 > (¡т т&г а, 1 ап а , 1 г-е/ V те/ > размеры , мм (17,8 Л 19.8 21,2 30.9 У 22,2 (20,5 Л 24,5 37,8 9,3 V39,6 (21,5 Л 24.5 38,8 12.6 У46,1 )

Опт имальные (1 Л Шт з&т 1 а(т1 ас(п 1 ате/ Уте/ ) размеры , К (0,187 Л 0,208 0,223 0,324 V 0,233 ) (0,215 Л 0,257 0,397 0,098 V 0,416 ) (0,226 Л 0,257 0,407 0,132 V 0,484 )

Входной импеданс, Ом 39,6 86,5+]0,1 97,1+]0,1

Сопротивление излучения, Ом 39,7 88,2 99,4

Площадь размещения ДА, а,2 0,124 0,148 0,188

КНД (90°,90°) дБ КНД(270°,90°)' 76 -4 9 25 93 3,6

а) б) в)

Рисунок 3.4 - ДН трёхэлементных ДА с центральным (а), центрально-концевым

(б) и концевым (в) питанием ВДВ:

плоскость Е (сплошная), плоскость Н (пунктир)

Традиционно [2], [7] именно трёхэлементная конфигурация ДА используется для ЭДА следующего рода: при изменении длин плеч директора ¡¿¡г (в качестве абсциссы) и рефлектора ¡гее (в качестве ординаты) и неизменных прочих

параметрах, рассчитывается (в нашем случае - согласно (2.50)) и строится в прямоугольной развёртке поверхность КУ. Длины плеч изменяются в диапазоне

¡1 ор1 ± ¡с , где ¡с - произвольная относительная либо физическая длина.

Такой анализ был выполнен для трёх синтезированных конфигураций ДА (Таблица 3.3) при ¡с = 10 мм, его результаты представлены на Рисунке 3.5.

а)

б)

в)

Рисунок 3.5 - Коэффициент усиления трёхэлементных ДА с центральным (а), центрально-концевым (б) и концевым (в) питанием ВДВ

Результаты, полученные в данном пункте, уже отчасти отображают динамику изменений, вызванных добавлением очередного директора. Несмотря на длительную оптимизацию, достичь значений входного импеданса строго 50 Ом (100 Ом) не удалось так же, как и в п. 3.1.1, хотя разность уже не столь значительна и может быть обусловлена выбранным дискретом изменения геометрических параметров 0,1 мм. Также незначительно отличаются площади, занимаемые разными ДА из Таблицы 3.3, при том, что КНД ДА с разносом клемм ВДВ превышает КНД классической ДА в среднем на 1,5 дБ, наряду с ростом уровня заднего лепестка.

Данные Рисунка 3.5 свидетельствуют об уменьшении площади, ограниченной изолинией максимального КНД, при увеличении разноса между клеммами. Следовательно, можно ожидать большей чувствительности характеристик ДА с цилиндрическими ВДВ к отклонениям их параметров, чем в случае классических ДА. Именно поэтому проведение допускового анализа (анализа выхода годных изделий) является оправданным для ДА с ВДВ.

Полученные оптимальные значения будут использованы в качестве начальных при дальнейшей оптимизации, в которой в рассмотрение добавляется ещё один элемент.

3.1.3. Синтез четырёхэлементных директорных антенн

Синтез четырёхэлементных ДА, содержащих активные ВДВ трёх разных видов, осуществляется с единых позиций, для чего формируется матрица

[ щ ] =

0 0 0 0 90° тее 0,7 0 0 0 10

0 0 0 к 90° тее 0,7 0 0 к 10

0,1 1 ¡тг а , те] 0 0 90° атг 0,7 атг 1 0 10

-0,1 т ¡тг а те] 0 к 90° атг 0,7 N 2,, атг 1 к 10

0 7 ¡тг а ,+с те] агт атг 0 0 90° агт1 0,7 0 0 0 10

0 7 а™ а ,+с те] агт атг 0 к 90° агт1 0,7 0 0 к 10

0 Отг а те] 7 Шт 1 + а, атг + у агт 2 агт1 0 0 90° агт 2 0,7 0 0 0 10

0 т ¡тг а те] 1 ат 1 + а., атг + с у агт 2 агт1 0 к 90° агт 2 0,7 0 0 к 10

х0 у0 г0 р в 1 а N Л ф Шр а

Визуализация ДА с матрицей конфигурации (3.5) полностью соответствует Рисунку 3.1 (элементы №1, №2, №3, №4). Пассивный рефлектор с длиною плеча ¡те] расположен в начале координат, относительно него по оси У на расстояние

¡¡Ц смещён ВДВ с длиною плеча ¡^ и способом питания, определяемым ,

N. Относительно него по оси У на расстояние ¡¡¡'Ц1 смещен первый пассивный

7 л- л

директор с длиною плеча ¡¡п, относительно которого по оси У на расстояние

смещён второй пассивный директор с длиною плеча ¡¡¡г 2.

Целевая функция задачи формируется согласно (3.1) как

(А ,[ БЛ4 ],90° ,90°) . Настройки оптимизации отличаются от п. 3Л.2 только

добавлением двух параметров (с соответствующими начальными значениями) и увеличением ожидаемого значения (порога) КНД. Результаты оптимизации представлены в Таблице 3.4. Поскольку именно четырёхэлементные ДА с ВДВ являются теми прототипами, печатные эквиваленты которых будут проектироваться в последующей работе, целесообразно провести дополнительные исследования. В частности, в Таблицу 3.4 добавлена строка, содержащая значения

относительных полос рабочих частот данных ДА. Границы диапазона определялись по критерию достижения КСВН уровня 1,5 (соответствует КОТР = 0,2). На Рисунке 3.6 представлены сечения ДН ДА с ВДВ трёх разных видов (а - центральное, б - центрально-концевое, в - концевое питание) и параметрами из Таблицы 3.4.

Таблица 3.4 - Параметры четырёхэлементных директорных антенн

Параметры ДА Питание ВДВ

Центральное Центрально-концевое Концевое

Опт имальные р аШг2 асИг1 1 аЖг1 Жп , . аа" 1 Т ае V геТ / азмеры , мм (20,5 ^ 19,8 20,5 13,3 24,5 25,5 123,2 У (16,2 ^ 18,8 20,2 23,9 37 13,8 45 3 (14,4 ^ 18,2 21,9 22,8 38,7 15 V49,2 У

Опт имальные р (1 ^ 1аг 2 ^а1г2 аг1 аг1 аа*1 1 аап ап ,. 1 Т ае V у азмеры , 4 '0,215 0,208 0,215 0,14 0,257 0,268 0,244 / V 0,17 0,197 0,212 0,251 0,389 0,145 Д476 \ У 0,151 0,191 0,23 0,239 0,406 0,158 Л517 \ У

Входной импеданс, Ом 50+10,1 133,8 90+10,1

Сопротивление излучения, Ом 50,8 135,3 92,4

Полоса рабочих частот, % (по критерию КСВН < 1,5) 2 1,6 1,1

Площадь размещения ДА, Лс 0,158 0,282 0,304

КНД( 90°,90°) дБ КНД(270°, 90°)' -1 9,8 -1,5 96 4

270 270 270

а) б) в)

Рисунок 3.6 - ДН четырёхэлементных ДА с центральным (а), центрально-концевым (б) и концевым (в) питанием ВДВ:

плоскость Е (сплошная), плоскость Н (пунктир)

Выводы, формулируемые по завершении синтеза, должны содержать прогноз влияния дальнейшего наращивания числа директоров на характеристики ДА с ВДВ. Проводя аналогичный ЭДА, можно показать, что взаимное влияние большого числа пассивных директоров будет нивелировать ряд особенностей нестандартного питания ВДВ. В частности, превышение площади, занимаемой ДА (порядка 20%) и определяемое параметрами ВДВ, рефлектора и первого по счёту директора, не будет давать заметного выигрыша в КНД относительно классических ДА (в четырёхэлементных конфигурациях выигрыш уже не превышает 0,3 дБ).

При этом для питания ДА с ВДВ могут быть использованы распределительные структуры с входным импедансом 50 Ом, содержащие две несимметричные отводящие линии передачи, а КСВН антенны будет близок к 1 на центральной частоте. Ожидается, что заметного снижения полосы рабочих частот в реальных конструкциях ДА с разносом клемм ВДВ не произойдёт по причине компенсаций сложного характера, обусловленных взаимодействием излучателей и корпуса ДА.

Для создания инженерной методики проектирования печатных ДА с ВДВ представленный этап поиска геометрических размеров цилиндрических прототипов (Таблицы 3.1-3.4) должен быть дополнен этапами:

1) Перехода к размерам печатно-полосковых эквивалентов ДА с ВДВ с учётом свойств диэлектрика подложки.

2) Адаптации существующих распределительных структур, обеспечивающих необходимые синфазные (для центрально-концевого питания) либо противофазные (для концевого питания) равноамплитудные напряжения и обладающих высокой актуальностью для практического применения. Синтез таких структур должен выполняться по известным авторским методикам, поскольку получение новых решений в этой области является сложным научно-техническим вопросом,

3.2. Формирование облика директорных антенн с волноводным питанием возбудителей дипольного вида

Актуальность совершенствования питаемых волноводами антенн обусловлена тем, что источники СВЧ сигнала (клистроны, магнетроны, полупроводниковые диодные генераторы) зачастую имеют волноводный выход (фланец), который должен быть сопряжен как электрически, так и конструктивно-технологически с ИДВ, в том числе с возбудителями ДА.

Для питания ДА от волновода необходимо сформировать на клеммах ВДВ напряжения с требуемыми амплитудно-фазовыми соотношениями. С конструктивно-технологической точки зрения это означает необходимость создания распределительной структуры, состоящей из волновода и двух несимметричных отводящих линий передачи. При этом степень интеграции между волноводом и излучателем в итоговой конструкции может быть весьма различной.

В связи с этим возникает необходимость обобщения известной к настоящему времени теории по волноводному питанию уединённого ИДВ с тремя разными способами возбуждения: классическим и двум предлагаемым в работе. При этом в Разделе 2 были отмечены достоинства и недостатки технического подхода, основанного на замещении корпуса волновода либо дополнительного экрана, закрепленного на нём, бесконечной идеально отражающей плоскостью, а также разработан алгоритм ЭДА, позволяющий рассчитать характеристики ДА с ВДВ в

ближней и дальней зонах излучения. Следует отметить, что наличие в конструкции реальной ДА одновременно и линейного рефлектора, и металлического отражающего экрана избыточно. Поэтому для поиска геометрических параметров ДА с ВДВ и двумя директорами над волноводом выполним синтез трёхэлементной конфигурации.

3.2.1. Излучатели дипольного вида, интегрированные с питающими их волноводами

Возможность создания распределительных структур на основе отрезков волноводов следует из наличия в объёмном распределении силовых линий основных волн точек с любыми конечными наперёд заданными амплитудно-

фазовыми соотношениями. Рассмотрим распределение линий вектора Н основной волны ТЕ10 прямоугольного и ТЕ11 круглого волноводов (Рисунок 3.7 (а) и (б) соответственно).

а) б)

Рисунок 3.7 - Визуализация структуры основных волн прямоугольного (а) и

круглого (б) волноводов

Исходя из того, что в направлении распространения энергии в волноводах с длиной волны АВ смена фазы на 180° (Рисунок 3.7) происходит каждые АВ / 2, техническим решением для концевого питания ИДВ является отвод энергии из

двух соседних замкнутых силовых линий магнитного поля как в круглом (в его условной верхней части), так и в прямоугольном (на широкой стенке) волноводах. Центрально-питаемый ИДВ может возбуждаться от одной замкнутой силовой линии магнитного поля (разность фаз 0°) через широкую стенку прямоугольного (Рисунок 3.7, а) или через оконечный торец круглого (Рисунок 3.7, б) волноводов.

Дальнейшую проработку облика распределительной структуры целесообразно направить в том числе на повышение её КПД, то есть на обеспечение равноамплитудного деления всей поступающей в волновод мощности между плечами ИДВ. Известно, что отвод мощности из волновода реализуется через элементы связи, в качестве которых могут использоваться отверстия (щели) либо зонды (штыревые и петлевые).

Принцип работы классических волноводно-дипольных антенн (Рисунок 3.8, а) [10] основан на наличии гальванического контакта между взаимно перпендикулярными диполем и металлической пластиной, которая припаивается к серединам узких стенок раскрыва прямоугольного волновода и располагается вне

волновода в плоскости магнитного вектора Н его основной волны ТЕ10. Пластина,

будучи перпендикулярной электрическому вектору Е этой волны, не участвует в излучении. Существуют конструкции подобных волноводно-дипольных антенн с одним, двумя или четырьмя диполями в зависимости от требований к форме ДН антенны. При этом КНД волноводно-дипольной антенны с четырьмя диполями в направлении оси Ъ (Рисунок 3.8, а) может достигать значения 5,3.

а) б)

Рисунок 3.8 - Центральное питание диполей от прямоугольного волновода

Другим классическим способом создания волноводно-дипольной антенны является подключение диполя с питанием от коаксиально-щелевого СУ к волноводу, нагруженному на коаксиально-волноводный переход на основе штыревого зонда [48] (Рисунок 3.8, б), являющегося продолжением внутреннего проводника коаксиала и параллельного узкой стенке волновода. В интегрированной конструкции коаксиальная линия передачи выполняется неразъёмной.

Анализ литературы (представлен в [48]) позволил выявить недостатки первого из рассмотренных способов питания диполя (Рисунок 3.8, а): сложность дальнейшего наращивания КНД, отсутствие аналогичных конструкций на основе круглого волновода, трудности интеграции с диполями в печатном исполнении.

Размещение полосковых диполей в плоскости вектора Н (вплотную к пластине либо вместо неё) невозможно без введения вспомогательных конструктивных элементов, либо организации дополнительных переходов между разными типами линий передачи, расположенных внутри волновода [48].

Указанные недостатки отсутствуют в случае зондового питания (Рисунок 3.8, б), а использование волноводно-полосковых переходов [79] позволяет интегрировать волновод с классической печатной ДА. Однако ни одна из представленных конструкций не может быть прямо использована для реализации предлагаемых в работе центрально-концевого либо концевого способов питания возбудителей ДА.

Поэтому принцип зондового питания был адаптирован для создания волноводно-дипольных антенн на основе распределительных структур с волноводным входом и двумя отводящими коаксиальными линиями передачи, нагруженными с одной стороны на зонды, с другой - на ВДВ. Если входной импеданс ДА 2Ш составляет 100 Ом, то импеданс на входе одной коаксиальной линии, нагруженной на одно плечо ВДВ, должен составить /2 = 50 Ом. При этом известные расчётные соотношения для размеров и положения в волноводе одиночного зонда [48] становятся некорректными в случае близкого размещения двух зондов. Для поиска этих параметров используется многокритериальная

оптимизация модели антенны в программно-методических комплексах на основе численных методов ЭДА.

Рассмотрим особенности проектирования четырёх конфигураций волноводно-дипольной антенны на основе ИДВ с центрально-концевым и концевым питанием от прямоугольного и круглого волноводов (Рисунок 3.7), играющих роль рефлекторов и заполненных материалом с относительной диэлектрической проницаемостью £В = 1. Длина волны в волноводе Лв при этом больше, чем в свободном пространстве (Лс):

Лв = Л/-2, (3.6)

/ / \2

(Лс/ ^ к/ЛкР ,

где Лкр - критическая длина основной волны волновода с заполнением. Многие из

геометрических параметров двух зондов и отводящих линий уравниваются в настройках оптимизации. Такая симметрия способствует унификации изделий, а также повышает уровень производственной и эксплуатационной технологичности волноводно-дипольных узлов.

1) ИДВ с центрально-концевым питанием от прямоугольного волновода

Прежде всего, в [80] было показано, что размер аВ широкой стенки волновода антенны удовлетворяет условию одноволнового режима: аВ / Лс е [0,555...0,615]. Для расчётов согласно (3.6) должна быть известна критическая длина основной волны ТЕ10: Лкр = 2аВ-^ёВ. Выполнив расчёты [81], расположим штыревые зонды симметрично центру широкой стенки на расстоянии 0,35аВ от него - в пределах одной замкнутой силовой линии магнитного поля (Рисунок 3.7, а, сдвиг фазы 0°). В результате получим облик, представленный на Рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - ИДВ с центрально-концевым питанием, интегрированный с

прямоугольным волноводом

При проектировании распределительной структуры на основе штыревых зондов вышеупомянутые входные импедансы коаксиалов длиной Наг1 (высота ИДВ над волноводом) зависят от их равных волновых сопротивлений р , равных глубин погружения штырей внутрь волновода, равных величин смещения штырей от узкой стенки. Численные методы ЭДА также позволяют учесть взаимное влияние штырей.

2) ИДВ с центрально-концевым питанием от круглого волновода

В [80] было показано, что радиус гВ волновода антенны удовлетворяет

условию одноволнового режима гВ / Лс е [0,352...0,355]. Для расчётов согласно (3.6) должна быть известна критическая длина основной волны ТЕ11: Лкр = 3,41гВл[ёВВ. Облик излучателя, представленного на Рисунке 3.10, а, получен в

результате структурного синтеза с использованием петлевых зондов, пересекающих оконечный торец круглого волновода симметрично центру широкой стенки на расстоянии 0,3аВ от него - в пределах одной замкнутой силовой линии магнитного поля (Рисунок 3.7, б, сдвиг фазы 0°).

а) б)

Рисунок 3.10 - ИДВ с центрально-концевым (а) и концевым (б) питанием, интегрированные с круглым волноводом

При проектировании распределительных структур на основе петлевых волноводных зондов (Рисунок 3.10, а) вышеупомянутые входные импедансы коаксиалов длиной И^ (высота ИДВ над торцом волновода) зависят от их равных волновых сопротивлений р, равных радиусов зондов, равных величин смещения зондов от оси волновода, их взаимного влияния.

3) ИДВ с концевым питанием от прямоугольного волновода

Начальные параметры, включая соотношение аВ / Лс и критическую длину

Лкр = 2аВу[ёВ основной волны ТЕ10, идентичны вышеописанной конфигурации .№1.

В расчётах, произведённых в [62], [74], штыревые волноводные зонды размещаются внутри двух соседних замкнутых силовых линий магнитного поля (Рисунок 3.7, а, сдвиг фазы 180° при разносе по длине на Лв /2). В облике, представленном на Рисунке 3.11, оптимизации подлежат равные волновые сопротивления р коаксиалов длиной Иг (высота ИДВ над волноводом), равные глубины погружения штырей внутрь волновода, равные величины их смещения от оси симметрии широкой стенки (с учётом их взаимного влияния).

Рисунок 3.11 - ИДВ с концевым питанием, интегрированный с прямоугольным

волноводом

Описанная конструкция защищена патентом на изобретение [82].

4) ИДВ с концевым питанием от круглого волновода

Начальные параметры, включая соотношение гВ / Лс и критическую длину

Лкр = 3,41гВ^В основной волны ТЕ11, идентичны вышеописанной комбинации

№2. В расчётах, произведённых в [83], штыревые волноводные зонды размещаются внутри двух соседних замкнутых силовых линий магнитного поля (Рисунок 3.7, б, сдвиг фазы 180° при разносе по длине на ЛБ /2).

В облике, представленном на Рисунке 3.10, б, круглый волновод дополнен гальванически соединённым с ним проводящим экраном. Вследствие симметрии поперечного сечения круглого волновода смещение штырей относительно его оси отсутствует, поэтому оптимизации подлежат равные волновые сопротивления р коаксиалов длиной Им (высота ИДВ над экраном), равные глубины погружения штырей внутрь волновода.

В каждом из описанных случаев 1-4 в результате выполненной оптимизации достигнуто узкополосное согласование волноводно-дипольной антенны (на входе волновода) относительно частоты 2 ГГц, получены однолепестковые ДН с максимумом излучения, перпендикулярным широкой стенке волновода либо

экрану, с достижением КНД в среднем 6,5. Волноводные зонды соединяются с внутренними проводниками коаксиалов (первые являются продолжением последних) сквозь выполненные в стенках отверстия, диаметр которых меньше внутреннего диаметра внешних проводников коаксиалов. При этом внутренние проводники фиксируются внутри коаксиалов по их осям посредством небольших диэлектрических шайб, которые на Рисунках 3.9-3.11 условно не показаны. Нижние концы внешних проводников коаксиалов соединены гальванически (например, пайкой) со стенками волновода, а верхние их концы разомкнуты (в состоянии холостого хода). Во всех разработанных конструкциях удалось использовать стандартные сечения прямоугольных и круглых волноводов.

В завершение отметим, что реализация интегрированных печатно-волноводных ДА с ВДВ и эффективностью не хуже, чем у прототипов, потребует максимально эффективной адаптации существующих волноводно-полосковых переходов, что, однако, является отдельным техническим вопросом.

3.2.2. Синтез трёхэлементных директорных антенн над бесконечной

идеально отражающей плоскостью

Синтез ДА над отражающей плоскостью, содержащих активные ВДВ трёх разных видов, осуществляется с единых позиций, для чего формируется матрица

0,1 -0,1 0 0 0 0

х0

к

(П

к(3п

к + а,

ап ап

7

к + а ,

ап ап у лОгЛ 1(Иг 2

к + а, + а,л

ап ап dгr\

7 л&п 2

к + а, + а,л

ап ап dгr\

У0

0 0 0 0 0 0

г0

п 0 п 0 п Р

90° 90° 90° 90°

90° 90°

в

апг

апг

агп1

агп1

агп2

агп2

0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7

N1 N 2 0 0 0 0 N

апг

апг

1 1

0 0 0 0 Л

п 0 п 0 п

Ф

0 0 0 0 0 0

тр а

Результат обработки матрицы конфигурации (3.7) в процедуре А8шк будет иметь визуализацию (процедура У18_А8), эквивалентную изображённой на

Рисунке 2.5 (где элемент №1 - ВДВ, а №2, №3 - директоры). Плоскость 70Х является отражающей, относительно неё по оси У на расстояние Наг1 смещён ВДВ с длиною плеча ¡^ и способом питания, определяемым N1(Ы, N. Относительно него по оси У на расстояние б^!-1 смещен первый пассивный директор с длиною плеча ¡Лг1, относительно которого по оси У на расстояние смещён второй пассивный директор с длиною плеча ¡Лг 2.

Целевая функция задачи формируется согласно (3.1) как ^ба (^с , [ J ,90° ,90°). Настройки оптимизации отличаются от п. 3.1.2 только

отсутствием длины рефлектора, в качестве начальных значений остальных параметров взяты оптимальные из Таблицы 3.3. Ожидаемое значение (порог) КНД увеличен до 10 в соответствии со справочными данными [67].

В Таблице 3.5 представлены результаты оптимизации и параметры ДА, в том числе значения относительных полос рабочих частот антенн. Границы диапазона определялись по критерию достижения КСВН уровня 1,5 (соответствует КОТР = 0,2). На Рисунке 3.12 представлены сечения ДН (в передней полусфере) ДА с ВДВ трёх разных видов (а - центральное, б - центрально-концевое, в - концевое питание) и параметрами из Таблицы 3.5.