автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Использование искусственных диэлектриков для улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов волн

9 15-5/489

На правах рукописи

Авдюшин Артем Сергеевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕНН УВЧ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ ВОЛН

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2015

Работа выполнена в АО «ИРКОС», г. Москва

Научный руководитель:

Климов Александр Иванович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Раэиньков Сергей Николаевич,

доктор физико-математических наук, Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (г. Воронеж), старший научный сотрудник;

Попов Игорь Владимирович,

кандидат технических наук, АО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), ведущий конструктор

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», г. Воронеж

Защита состоится 02.10.2015 г. в 14 часов 00 минут в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте http://www.vorstu.ru.

Автореферат разослан « » июля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.037.10 доктор технических наук, профессор

О.Ю. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Неизменной тенденцией развития теории и техники радиомониторинга и радиопеленгации, радиолокации, радиосвязи и телекоммуникации, управления и радионавигации является расширение полосы рабочих частот радиоэлектронной аппаратуры. Диапазон частот функционирования современных систем и комплексов радиомониторинга и радиопеленгации простирается от единиц герц до терагерцового диапазона. Компания Agilent Technologies на российском рынке предлагает анализаторы спектров и сигналов, функционирующие в полосе частот от 0 до 1,1 ТГц.

В связи с этим важной научно-технической проблемой является разработка и создание сверхширокополосных антенных элементов и систем, функционирующих в полосе частот с максимально возможным коэффициентом перекрытия, характеризующихся при этом минимальными габаритами, массой и стоимостью. Одним из многообещающих путей ее решения является использование искусственных диэлектриков.

Несмотря на то, что искусственные диэлектрики известны еще с XIX века, настоящий прорыв в их теории и практическом использовании связан с фундаментальными работами В.Г. Веселаго и Дж. Пендри, посвященными метаматериапам. Существенный вклад в развитие теории и прикладного применения метаматериалов внесли В.Н. Агранович, С.Е. Банков, J1.C. Бененсон, В.Л. Гинзбург, Ю.В. Гуляев, H.A. Капцов, Н.В. Костин, Е. Кох, Л.И. Мандельштам, J1.A. Микаэлян, В.Н. Митрохин, С.А. Никитов, В.Е. Пафомов, Д.С. Рыженко, Д.В. Сивухин, P.A. Силин, Д. Смит, Я.Н. Фельд, Г. Фриис, Р. Циолковский, А.Д. Шатров, В.В. Шевченко, Р. Шелби, С.А. Щелкунов и другие отечественные и зарубежные исследователи.

Тем не менее, актуальными остаются многие важные вопросы, в частности, о возможности использования искусственных диэлектриков для существенного улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов:

- повышение коэффициента направленного действия антенн в сверхширокой полосе частот;

- улучшение согласования сверхширокополосных антенн;

- разработка и исследование управляемых метаматериалов для сверхширокополосных отражательных фазированных антенных решеток (ФАР);

- разработка и исследование сверхширокополосных антенн с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга упрощенных вариантов конструкции.

Научная и практическая значимость перечисленных вопросов обуславливает актуальность темы диссертации, предусматривающей решение

частной задачи улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов волн путем использования искусственных диэлектриков.

Объектом исследования являются сверхширокополосные антенны УВЧ и СВЧ диапазонов, содержащие конструктивные элементы, реализованные на основе искусственных диэлектриков.

Предмет исследования - способы и средства улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов, основанные на использовании искусственных диэлектриков, а также возможность построения антенных систем с рефлектором из управляемого искусственного диэлектрика, функционирующих в режиме отражательной ФАР, перестраиваемой в сверхширокой полосе частот, либо в режиме сверхширокополосной сканирующей антенны.

Цель и задачи исследования - улучшение входных характеристик и направленных свойств сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов за счет применения структур из искусственного диэлектрика в конструкции антенн, а также разработка методики проектирования отражательных фазированных антенных решеток с рефлектором из управляемого искусственного диэлектрика с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн.

Для достижения данной цели в работе решены следующие задачи:

- исследована возможность улучшения направленных свойств антенны Вивальди и нерегулярного ТЕМ-рупора с помощью печатных линз из электрически малых рассеивателей;

- разработана методика улучшения согласования печатного биконического вибратора, предусматривающая использование искусственного диэлектрика;

- предложена структура управляемого электромагнитного кристалла с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн и варианты ее реализации с помощью микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов с оптическим и электростатическим управлением, а также рч-п диодов;

- исследована возможность упрощения модели искусственного диэлектрика путем введения анизотропии проводимости тонкопроволочных металлических элементов;

- разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием с диаграммообразующей схемой (ДОС) в виде линзы Люнеберга, реализованной в виде различных конструкций из элементов полосковых линий передачи;

- исследована возможность построения сканирующей сверхширокополосной антенны с плоской линзой Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков.

Методы исследования. Для электродинамического моделирования

применен метод конечного интегрирования Вейланда в пространственно-временной области. Анализ параметров искусственных диэлектриков и электромагнитных кристаллов выполнен путем построения эквивалентных схем на сосредоточенных элементах, соединенных отрезками линий передачи. Измерения характеристик согласования антенн выполнены с помощью анализатора параметров цепей производства компании Agilent Technologies.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:

- разработана методика компенсации фазовых искажений в раскрыве щелевых антенн бегущей волны и в ТЕМ-рупорах, основанная на использовании печатных линз из электрически коротких металлических полосков, позволяющая повысить коэффициент усиления как уединенных, так и находящихся в составе антенной решетки излучателей на величину, достигающую 3-4 дБ, а также уменьшить уровень боковых (УБЛ) и задних лепестков диаграммы направленности (ДН); установлено, что вносимый искусственным диэлектриком емкостный импеданс позволяет существенно ослабить негативное явление ослепления ФАР при широкоугольном сканировании в сверхширокой полосе частот;

- разработан способ трансформации входного сопротивления плоского биконического вибратора от среднего значения 150 Ом до 50 Ом в сверхширокой полосе частот, основанный на размещении в его щелевой части проводящих частиц с размерами, много меньшими длины волны, позволяющий существенно снизить входное сопротивление эквивалентной неоднородной двухпроводной линии передачи с проводниками конической формы и за счет этого уменьшить добротность антенны; установлено, что использование покрытия из искусственного диэлектрика позволяет значительно повысить равномерность ДН вибратора в Н-плоскости;

- предложен и обоснован (путем численных электродинамических расчетов) новый подход к созданию антенных систем с рефлектором в виде реконфигурируемого электромагнитного кристалла, в узлах которого расположены коммутирующие элементы (МЭМС или p-i-n диоды), функционирующих в режиме отражательной ФАР, перестраиваемой в сверхширокой полосе частот, либо в режиме сверхширокополосной сканирующей антенны;

- разработана упрощенная модель управляемого искусственного диэлектрика, основанная на введении анизотропии проводимости тонкопроволочных металлических элементов, позволяющая адекватно оценить величину эффективного коэффициента преломления неоднородной среды при существенном снижении вычислительных затрат по сравнению со случаем учета не только продольных компонент токов, протекающих по ребрам

электромагнитного кристалла, но и азимутальных и радиальных компонент токов; модель удобна для использования при параметрическом синтезе искусственного диэлектрика;

- разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием в азимутальной плоскости с диаграммообразующей схемой (ДОС) в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной на основе различных конструкций из элементов полосковых линий передачи, а также в виде совокупности радиальных диэлектрических пластин постоянной толщины и переменной ширины; исследовано влияние анизотропии на направленные свойства антенн.

Теоретическая и практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработана методика компенсации фазовых искажений в раскрыве антенны Вивальди и ТЕМ-рупора; построена упрощенная модель управляемого искусственного диэлектрика; предложен эффективный способ широкополосного согласования печатного биконического вибратора; разработана методика проектирования антенн с однокоординатным коммутационным сканированием в секторе шириной 90°, построенных на основе различных вариантов реализации плоской линзы Люнеберга; предложен подход к созданию антенных систем с трехмерным реконфигурируемым рефлектором. Применение результатов теоретических исследований при проектировании широкополосных и сверхширокополосных антенн и антенных решеток УВЧ и СВЧ диапазонов позволяет существенно улучшить форму ДН и характеристики согласования, увеличить коэффициент усиления одиночных излучателей, антенн с ДОС в виде линз Люнеберга и ФАР с широкоугольным сканированием, а также упростить технологию их производства.

Достоверность полученных в работе результатов обусловлена корректным использованием методов анализа и синтеза антенн: метода конечного интегрирования Вейланда, реализованного в пространственно-временной области; двухэтапной процедуры параметрической оптимизации синтезируемых антенн - использования генетического алгоритма для поиска глобального минимума и его уточнения с помощью метода локальной оптимизации Мак-Кормика. Результаты численного моделирования щелевых антенн бегущей волны, плоского биконического вибратора и ТЕМ-рупора в частном случае отсутствия в их конструкции искусственных диэлектриков совпадают с известными из публикаций других авторов. Результаты вычислительного эксперимента соответствуют данным измерений характеристик антенн, полученным при использовании стандартных методик и поверенного измерительного оборудования компании Agilent Technologies.

Обоснованность основных положений, выводов и результатов работы определяется использованием в приведенных теоретических рассуждениях

известных принципов электродинамики, теории и техники антенн, наличием сходимости результатов численного решения граничных задач электродинамики при последовательном уменьшении пространственного и временного шагов разбиения сетки, а также применением методов статистической обработки получаемых в полевых условиях экспериментальных данных. При обосновании влияния искусственных диэлектриков на характеристики сверхширокополосных антенн и построении их физических моделей использованы известные положения теории метаматериапов.

Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на X международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2004); международной конференции Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2006)» (Ульяновск, 2006); международной конференции «Телеком-Транс 2008» (Сочи, 2008); X и XI международных семинарах «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2013,2014); а также на ежегодно проводимых научных конференциях студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 20042014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, включая 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статью в издании, включенном в международную базу цитирования Scopus, 3 свидетельства о регистрации компьютерных программ в ГОСФАП РФ, 1 патент РФ на изобретение, 1 заявку на выдачу патента на изобретение.

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты, полученные в диссертации, внедрены в АО «ИРКОС» (г. Москва) при разработке и производстве комплексов радиомониторинга семейства «АРГУМЕНТ», мобильных измерительных комплексов «ИВК-РАДИО», а также пеленгационных антенных систем «АС-МП8».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, списка цитируемых источников из 213 наименований, и 5 приложений. Работа изложена на 226 страницах, содержит 132 рисунка и 1 таблицу.

Личный вклад автора состоит в разработке методики параметрического синтеза линз из искусственного диэлектрика для компенсации фазовых искажений в раскрыве щелевых антенн бегущей волны и в ТЕМ-рупорах [7, 15, 17, 21, 23, 24]; в разработке способа трансформации входного сопротивления плоского биконического вибратора с помощью покрытия из искусственного диэлектрика [5, 21, 22, 27]; в обосновании нового подхода к созданию антенных

систем с рефлектором в виде оптически или электрически управляемого искусственного диэлектрического цилиндра [2, 3, 26, 29]; в разработке и исследовании упрощенной модели управляемого искусственного диэлектрика [4, 28]; в разработке методики проектирования сверхширокополосных антенн с однокоординатным коммутационным сканированием с ДОС в виде плоской линзы Люнеберга [1, 6, 9, 25, 26, 27]. Автор лично участвовал в экспериментальных исследованиях антенн и полевых испытаниях радиоаппаратуры [4, 8, 10-14, 16, 18-20, 30-36].

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п. 2, 3, 5 и 9 паспорта специальности 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Печатные линзы из электрически малых металлических полосок позволяют существенно улучшить входные характеристики и направленные свойства ФАР, состоящих из антенн Вивальди или ТЕМ-рупоров, при сканировании в секторе углов ± 45° в полосе частот с коэффициентом перекрытия 3, увеличить коэффициент усиления (КУ) одиночных излучателей на 3-4 дБ и уменьшить уровень бокового излучения.

2. Использование искусственного диэлектрика в качестве материала покрытия печатного биконического вибратора позволяет реализовать трансформацию входного сопротивления антенны от 150 Ом до 50 Ом, снизить добротность антенны и повысить равномерность ДН в азимутальной плоскости в шестикратной полосе частот.

3. Изготовление рефлектора антенной системы в виде цилиндра из искусственного диэлектрика с оптически или электрически синтезируемой поверхностью рассеяния волн позволяет реализовать режим функционирования отражательной ФАР, перестраиваемой в сверхширокой полосе частот, либо режим сверхширокополосной сканирующей антенны.

4. Игнорирование азимутальных и радиальных компонент токов, протекающих по ребрам управляемого электромагнитного кристалла, позволяет более чем на порядок сократить размерность граничной электродинамической задачи при сохранении приемлемого уровня точности решения.

5. Выполнение плоских линз Люнеберга с использованием технологии производства печатных плат или изготовления пластмассовых лепестков одинаковой высоты и ограниченной ширины позволяет достичь значений коэффициента перекрытия 3 и более в антеннах с коммутационным сканированием в угловом секторе до 90°.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и

задачи исследования; показана научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов; приведены сведения об апробации основных положений диссертации, ее структуре и внедрении результатов; сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы перспективные пути применения метаматериалов и электромагнитных кристаллов (Electromagnetic Bandgap (EBG) Crystal - искусственных диэлектриков, в которых сняты ограничения на свойства частиц и расстояния между ними) для улучшения характеристик антенных устройств УВЧ и СВЧ диапазонов.

В частности, выдвинута гипотеза о целесообразности использования искусственного диэлектрика с металлическими полосками в виде замкнутых рамок или сплошных прямоугольных полосков в качестве материала покрытия щелевой части плоского биконического электрического вибратора. Высказано предположение, что наведенные на полосках вихревые токи будут усиливать магнитное поле в ближней зоне антенны электрического типа, выравнивая запасенную вблизи вибратора энергию электрической и магнитной компонент поля, что должно привести к уменьшению добротности излучателя. С другой стороны, наличие синфазных компонент токов в полосках должно увеличить погонную емкость структуры, что приведет к существенному снижению входного сопротивления вибратора.

Предложено использование печатных линз из электрически малых металлических рассеивателей в качестве фазокорректирующих элементов антенн Вивальди и ТЕМ-рупоров.

Поставлен вопрос о возможности улучшения входных характеристик и направленных свойств ФАР при широкоугольном сканировании за счет снижения электромагнитного взаимодействия между элементами решетки по внешнему полю.

Предложен подход к созданию управляемых электромагнитных кристаллов с кристаллической решеткой кубической формы и тонкопроволочными ребрами, в узлах которой располагаются оптически управляемые МЭМС коммутаторы.

Рассмотрена возможность реализации плоских линз Люнеберга по печатной технологии, а также в виде звезды из тонких диэлектрических лепестков одинаковой высоты.

Во второй главе исследованы возможности использования метаматериалов для улучшения входных характеристик и направленных свойств сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов.

Показано, что фазокорректирующие линзы из искусственного диэлектрика позволяют существенно снизить УБЛ ДН ФАР, состоящих из антенн Вивальди (рис. 1) или ТЕМ-рупоров, уменьшить коэффициент отражения на входе ФАР

(рис. 2) при сканировании в секторе углов ± 45° в полосе частот с коэффициентом перекрытия 3, а также увеличить коэффициент усиления как уединенных излучателей, так и всей ФАР на величину, достигающую 3-4 дБ.

Рис. 1. ДН ФАР на частоте 2,8 ГГц: слева - с линзами, справа - без линз

Частота, ГГц

Рис. 2. Частотные характеристики коэффициента отражения на входе ФАР при сканировании: сплошные линии - с линзами; штриховые линии - без линз

Коэффициент отражения, дБ ■

Разработана методика коррекции фазовых искажений в ТЕМ-рупорах с помощью полосковых линз {рис. 3), основанная на использовании для нахождения значения ширин полосков модифицированного эволюционного алгоритма, разработанного проф. Маториным A.B., предусматривающего оптимизацию характеристик рупоров путем минимизации целевой функции

м __

т=\

гдеб = [b1,B2,...,Bi,...,BnJ - конечное множество значений ширины полосков рупора в точках z, =(Z,/(/V-l)) (/-l), i = \,...,N, при этом минимальное значение ширины полосков В"" ограничено возможностями изготовления полоска по технологии производства печатных плат; /„, - дискретные значения частот рабочей полосы A/ = [/rmi„;/rmaJ, т = 1,...,М, на которых контролируется качество согласования; <p,„=<p(.fm) - множители, учитывающие «вес» модуля коэффициента отражения на каждой дискретной частоте |р(/„,,в}, <рт е [О; ]].

Пример на рис. 4 иллюстрирует выигрыш в коэффициенте усиления ТЕМ-рупора с синтезированной по предложенной методике полосковой линзой, достигающий в высокочастотной области 4 дБ.

Рис. 3. ТЕМ-рупор с полосковой линзой

Частота, ГГц

Рис. 4. Частотные характеристики КУ ТЕМ-рупора

Подтверждено предположение о том, что использование покрытия из искусственного диэлектрика позволяет улучшить характеристики согласования печатного биконического вибратора (рис. 5) со средним входным сопротивлением около 150 Ом с фидерной линией с волновым сопротивлением 50 Ом.

Рис. 5. Плоский биконический вибратор с покрытием в виде рамок (слева) и эквивалентная схема ячейки искусственного диэлектрика (справа)

На рис. 5 обозначено: С1 - емкости, учитывающие связь пластин, расположенных в соседних ячейках Флоке структуры; ¿1 - индуктивности пластин (или рамок); С2 - емкость между пластинами в одной ячейке, а также между пластинами (или рамками) искусственного диэлектрика и плечами вибратора; 11 - индуктивность, вызванная антисимметричными токами, наводимыми в рамках вследствие изменяющегося во времени магнитного потока, пронизывающего ячейки структуры, а также антисимметричными токами, наводимыми магнитной составляющей поля в пластинах и на вибраторе. На рис. 6 показаны номограммы Смита для случаев: 1 - вибратор без покрытия (среднее входное сопротивление 150 Ом); 2-е покрытием в виде рамок (54 Ом);

3-е покрытием в виде квадратных пластин (54 Ом). Примеры частотных характеристик КУ вибратора, приведенные на рис. 7, иллюстрируют существенный выигрыш в КУ при использовании покрытия из искусственного диэлектрика: 1.1 - частотная характеристика КУ вибратора без покрытия в направлении нормали к плоскости антенны; 1.2 - то же самое, в плоскости антенны; 2.1 - с покрытием в виде рамок, КУ в направлении нормали к плоскости антенны; 2.2 — с покрытием в виде рамок, КУ в направлении, лежащем в плоскости антенны.

Рис. 6. Номограммы Смита плоского биконического вибратора

0.2 0.5 1 1.5 2 2,5 3

1 гтц

Рис. 7. Частотные характеристики КУ плоского биконического вибратора

Разработанная методика проектирования сверхширокополосных вибраторных антенн была использована при создании измерительной антенны АРК-А12 с квазиизотропной ДН в азимутальной плоскости (в ЗАО «ИРКОС», г. Москва). Внешний вид антенны и ее основные характеристики приведены на рис. 8.

Рабочий диагалон частот 20 - 3000 МГц

Диаграмма направленности квазииэотролная

Коэффициент стоячей волны не более 3

Тил соединителя на антенне коаксиальная розетка И-типа

Габариты 635 x 470 * 96 мм

Рис. 8. Антенна АРК-А12 (АО «ИРКОС», г. Москва)

На рис. 9 показана структура кристаллической решетки предложенного в работе управляемого искусственного диэлектрика, в узлах которой

располагаются оптически управляемые коммутаторы (например, в виде МЭМС или комбинаций рм-п диодов с фотодетекторами, облучаемыми с помощью световодов). Исследованы частотные зависимости фаз волн, отраженных от слоя замкнутых коммутаторов для случая заполнения искусственным диэлектриком прямоугольного металлического волновода с сечением 156x12 мм2; длина ребра ячейки структуры 5 мм, зазор между ребрами 1 мм, диаметр проводника 0,5 мм. Установлено, что в полосе частот 1,5-2,5 ГГц при последовательных сдвигах слоя замкнутых коммутаторов вдоль оси волновода на 6 мм обеспечивается сдвиг фазы отраженной волны не менее 300°, при этом коэффициент отражения от входа фазовращателя не превышает минус 15 дБ. Подтверждена возможность упрощения модели за счет игнорирования радиальных и азимутальных компонент токов на ребрах кристаллической решетки (расчеты выполнены для волновода длиной 86 мм, заполненного искусственным материалом при отсутствии высокочастотных коммутаторов). Это положение иллюстрируется частотными характеристиками фазы коэффициента передачи напряжения, показанными на рис. 10 сплошной линией для случая проводников из материала с изотропной проводимостью и штриховой линией - для случая проводников с продольной компонентой проводимости.

и«(Я21), ^ад -НО

■160 -1во

■МО -260

*-*

......ГЛЗЙ»

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 1, ГГц

Рис. 9. Структура управляемого материала

Рис. 10. Частотные зависимости фазы коэффициента передачи

В третьей главе исследованы перспективные способы реализации плоских линз Люнеберга (рис. 11) УВЧ и СВЧ диапазонов.

Разработана методика проектирования сверхширокополосной антенны с ДОС в виде линзы Люнеберга, реализованной с помощью различных вариантов топологии полосковых линий передачи, как показано на рис. 11. Довольно высокий (минус 6-7 дБ) УБЛ рассчитанной ДН в Н-плоскости (рис. 12) обусловлен тем, что отношение диаметра линзы к длине волны на частоте 2 ГГц составляет всего лишь О/Д, = 2; на частоте 3 ГГц — = 3.

Рис. 11. Иллюстрация реализации линзы Люнеберга по печатной технологии

О, дБ

ф. град.

Рис. 12. ДН в Н-плоскости антенны с печатной линзой Люнеберга на частотах 2,0; 2,5 и 3,0 ГГц ф, град.

-г.отд

---2,5 ГГц

......3.0 ГГц

Разработана методика проектирования антенны с ДОС в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков; фрагмент конструкции линзы показан на рис. 13. На рис. 14 и 15 приведены частотная характеристика коэффициента отражения 5П и примеры ДН антенны в Н-плоскости.

1

Л/ |

1 V

У ^ 1

—

1.5 1.6 1.; 1.« 1.9 г 2.1 г.г и 2.1 г»

Частота. (Тц

Рис. 13. Топология лепестков Рис. 14. Частотная зависимость £п антенны с ДОС ДОС в виде узких диэлектрических лепестков

о о

Рис. 15. ДН в Н-плоскости антенны с диаметром 1900 мм и высотой 150 мм на частоте 1,5 ГГц (слева) и на частоте 2,4 ГГц (справа)

В четвертой главе приведены результаты исследований характеристик автоматизированной системы радиомониторинга, разработанной в ЗАО ИРКОС (г. Москва), оснащенной предложенными в диссертации антеннами. Структура системы поясняется рис. 16.

Рис. 16. Структура автоматизированной системы радиомониторинга

В заключении приведены основные результаты работы и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика компенсации фазовых искажений поля в раскрыве щелевых антенн бегущей волны и ТЕМ-рупоров, базирующаяся на использовании линз из искусственного диэлектрика в печатном исполнении, позволяющая получить выигрыш в коэффициенте усиления антенн до 3-4 дБ, уменьшить уровень бокового излучения, а также существенно улучшить характеристики согласования и диаграмму направленности фазированной антенной решетки при сканировании в секторе углов ± 45° в полосе частот с коэффициентом перекрытия 3.

2. Разработана методика улучшения согласования печатного биконического вибратора на основе использования искусственного диэлектрического покрытия, позволяющего трансформировать среднее значение входного сопротивления от 150 Ом до 50 Ом в шестикратной полосе частот. Выяснено, что при этом также существенно уменьшается неравномерность диаграммы направленности вибратора в азимутальной плоскости.

3. Предложен и обоснован новый подход к созданию антенных систем с рефлектором на основе оптически или электрически реконфигурируемого электромагнитного кристалла с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн, функционирующих в режиме отражательной фазированной антенной решетки, перестраиваемой в сверхширокой полосе частот, либо в режиме сверхширокополосной сканирующей антенны.

4. Разработана упрощенная модель прозрачного электромагнитного кристалла, основанная на анизотропном характере проводимости его тонких металлических ребер, позволяющая адекватно оценить величину коэффициента замедления электромагнитной волны в сверхширокой полосе частот. Уменьшение вычислительных затрат более чем на порядок делает модель актуальной для использования в процедуре параметрического синтеза искусственного диэлектрика.

5. Разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с однокоординатным коммутационным сканированием в азимутальном секторе углов шириной 90°, построенных на основе плоской линзы Люнеберга из искусственного диэлектрика, реализованного по печатной технологии в виде отрезков неоднородной щелевой линии передачи, или в виде модулированной полосковой линии передачи.

6. Разработана методика проектирования сканирующих антенных систем с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, состоящей из пластмассовых лепестков одинаковой высоты и ограниченной ширины, функционирующих в полосе частот с коэффициентом перекрытия 3 и более, а также существенно упростить технологию производства.

7. Методика проектирования плоских биконических вибраторов с

покрытием из искусственного диэлектрика внедрена в АО «ИРКОС» (г. Москва) при разработке и серийном выпуске измерительной антенны АРК-А12 с квазиизотропной диаграммой направленности в азимутальной плоскости, функционирующей в полосе частот от 20 до 3000 МГц. Методика компенсации фазовых искажений в раскрыве антенны Вивальди и ТЕМ-рупоров с помощью печатных линз из искусственного диэлектрика внедрена в АО «ИРКОС» при разработке пеленгационной антенной системы «АС-МП8», функционирующей в диапазоне частот от 20 МГц до 8 ГГц.

8. Проведено исследование перспективной автоматизированной системы радиомониторинга, а также мобильного автоматизированного измерительного комплекса контроля параметров поездной радиосвязи «ИВК-РАДИО», оснащенных разработанными сверхширокополосными антеннами, серийно выпускаемыми АО «ИРКОС» (г. Москва).

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Моделирование линз Люнеберга в полосковом исполнении [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Вестник ВГТУ. - 2015. - Т. 11. - № 1. - С. 79-83.

2. Электромагнитные кристаллы, их особенности и применение [Текст] / A.C. Авдюшин и др.//Вестник ВГТУ.-2015.-Т. 11 -№ 1.-С. 93-103.

3. Искусственный диэлектрик с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн СВЧ диапазона [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Радиотехника. - 2014. - № 6. - С. 4-7.

4. Использование цилиндров с анизотропным характером проводимости для упрощения модели искусственного диэлектрика [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Радиотехника. - 2014. -№ 6. - С. 100-104.

5. Улучшение характеристик печатной антенны в виде биконуса с помощью искусственного диэлектрика [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Радиотехника. - 2014. - № 6. - С. 105-109.

6. Исследование плоской линзы Люнеберга с радиальными диэлектрическими лепестками [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Вестник ВГТУ. -2014.-Т. 10.-№5.1.-С. 23-25.

7. Методика построения профиля полосков ТЕМ-рупора с линейным раскрывом на основе использования эволюционного алгоритма [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Вестник ВГТУ. - 2014. - Т. 10. - № 5.1. - С. 36-40.

8. Использование метода виртуальных лучей для анализа сверхширокополосной многолучевой антенной решетки с апланатической линзой [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Вестник ВГТУ. - 2013. - Т. 9. - № 6.1. -С. 56-58.

9. Формирование лучей в секторной многолепестковой антенной решетке на основе плоской линзы Люнеберга [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Вестник

ВГТУ. - 2013. - T. 9. - № 6.2. - С. 78-80.

10. Авдюшин, A.C. Применение метаматериалов в антенной технике [Текст] / A.C. Авдюшин, М.Ю. Власов, Ю.Г. Пастернак // Вестник ВГТУ. - 2013. -Т. 9. -№ 3.1. - С. 132-135.

11. Мобильный автоматизированный измерительный комплекс контроля параметров поездной радиосвязи ИВК-РАДИО [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Специальная техника. - 2006. - № 4. - С. 34-42.

12. Перспективная автоматизированная система радиомониторинга [Текст] / A.C. Авдюшин A.C. и др. // Специальная техника. - 2007. -№ 5. - С. 2634.

13. Моделирование и экспериментальное исследование печатной широкополосной антенной решетки СВЧ диапазона волн [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Вестник ВГТУ. - 2003. - Вып. 4.3. - С. 72-74.

14. Авдюшин, A.C. Моделирование и экспериментальное исследование модификации рупорной антенны с ТЕМ-волной [Текст] / A.C. Авдюшин // Вестник ВГТУ. - 2003. - №. 4. - С. 59-60.

Публикации в изданиях, включенных в международную базу цитирования Scopus:

15. Vivaldi antenna with printed lens in aperture [Text] / A.S. Avdushin et al. // Microwave and optical technology letters.-2014.-Vol. 56, № 2.-P. 369-371.

Патенты и заявки на изобретения:

16. Способ определения местоположения базовой станции [Текст] : пат. 2454000 Рос. Федерация : МПК51 H 04 В 17/00 (2006.01 ) / A.C. Авдюшин и др. // Опубл. 30.05.2011.

17. Антенна Вивальди с печатной линзой на единой диэлектрической подложке [Текст] : заявка 2014128331/08 (045888) Рос. Федерация / A.C. Авдюшин и др. // Заявл. 11.07.2014.

Регистрация программ для ЭВМ:

18. Программа моделирования амплитудного пеленгатора [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Регистрационный № 50200300684 от 12.08.03.

19. Программа моделирования квазидоплеровского пеленгатора [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Регистрационный № 50200300683 от 12.08.03.

20. Программа моделирования корреляционно-интерферометрического пеленгатора [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Регистрационный № 50200300685 от 12.08.03.

Статьи и материалы конференций:

21. Use of Artificial Dielectric for Improvement of Printed Biconical Vibrator Matching [Text] / A.S. Avdushin et al. // American Journal of Electromagnetics and Applications. - 2014. - Vol. 2, № 6. - P. 49-52.

22. Авдюшин, A.C. Печатный биконический вибратор с согласующим

покрытием из искусственного диэлектрика [Текст] / A.C. Авдюшин, А.И. Климов // Охрана, безопасность, связь - 2014: материалы международной научно-практической конференции. - Воронеж: Воронежский институт МВД РФ. - 2015.

- 4.2.-С. 206-209.

23. Авдюшин, A.C. Антенна Вивальди с улучшенными направленными свойствами, построенная с использованием полосковой корректирующей линзы [Текст] / A.C. Авдюшин, А.И. Климов // Охрана, безопасность, связь - 2014: материалы международной научно-практической конференции. - Воронеж: Воронежский институт МВД РФ. - 2015. - Ч. 2. - С. 16-19.

24. Использование генетического алгоритма для синтеза ТЕМ-рупора и анализ его основных характеристик [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы X международного семинара (28-29 июня 2013 г.). - Воронеж: ВГТУ - 2014. - Ч. 3. - С. 103-110.

25. Синтез антенны на основе линзы Люнеберга с использованием модели ее диаграммообразующей схемы, основанной на квазистатическом приближении [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы X международного семинара (28-29 июня 2013 г.). - Воронеж: ВГТУ.

- 2014. - Ч. 3. - С. 111-118.

26. Синтез и анализ характеристик плоской линзы Люнеберга, состоящей из анизотропного искусственного диэлектрика с радиальным расположением слоев [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы X международного семинара (28-29 июня 2013 г.). - Воронеж: ВГТУ. - 2014. - Ч. 3. - С. 119-124.

27. Моделирование плоской биконической антенны, расположенной между слоев метаматериала, реализованной по печатной технологии [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы XI международного семинара (29-30 ноября 2013 г.). - Воронеж: ВГТУ.-2014,-4.2.-С. 101-107.

28. Исследование области применимости модели управляемого искусственного диэлектрика, основанной на введении анизотропии проводимости образующих его металлических полосок [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы XI международного семинара (29-30 ноября 2013 г.). - Воронеж: ВГТУ. - 2014. - Ч. 2.-С. 108-114.

29. Синтез и анализ характеристик управляемого искусственного диэлектрика, предназначенного для использования в качестве рефлекторов отражательных фазированных антенных решеток [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы XII международного семинара (27 июня 2014 г.). - Воронеж: ВГТУ. - 2014. - Ч. 3. -С. 56-62.

30. Моделирование и синтез антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных плоских биконических вибраторов [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы XII международного семинара (27 июня 2014 г.). - Воронеж: ВГТУ. - 2014. - Ч. 3. -С. 63-69.

31. Оптимизация процедуры диаграммообразования в антенной решетке, построенной на основе системы концентрических диэлектрических колец [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Физико-математическое моделирование систем: материалы X международного семинара (28-29 июня 2013 г.). - Воронеж: ВГТУ. -2013,-4.2.-С. 3-9.

32. Автоматизированный комплекс контроля поездной радиосвязи [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России (ТелекомТранс-2008): сборник докладов. - Сочи. - 2008. -С. 251-254.

33. Универсальный мобильный автоматизированный комплекс контроля параметров технологической радиосвязи [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России (ТелекомТранс-2008): сборник докладов. - Сочи. - 2008. - С. 258-261.

34. Авдюшин, A.C. М-позиционная пассивная разностно-дальномерная система обнаружения сигналов и измерения координат источников радиоизлучения [Текст] / A.C. Авдюшин, Г.В. Макаров. // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ. - Воронеж: ВГТУ. - 2007. - С. 99-100.

35. Авдюшин, A.C. Повышение быстродействия системы передачи информации в распределенных комплексах радиомониторинга [Текст] / A.C. Авдюшин, В.А. Козьмин, Г.В. Макаров // Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2006): материалы международной конференции и Российской научной школы. - М.: Радио и связь. - 2006. - Ч. 4. - Т. 1. - С. 26-29.

36. Пакет программ для математического моделирования радиопеленгаторов [Текст] / A.C. Авдюшин и др. // X международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж. - 2004.

Подписано в печать 06.07.2015. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 135 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

-Т2.-С 1358-1364.

15--8379

2015675221

2015675221