автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевых АФАР

На правах рукописи

Фирсов-Шибаев Денис Олегович

ДИАГРАММООБРАЗУЮЩАЯ СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВЫХ АФАР

Специальность 05.12.07-Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва - 2013 г.

005542848

005542848

Работа выполнена на кафедре Радиоэлектроники и телекоммуникаций Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Научный руководитель: Климов Константин Николаевич,

доктор технических наук

Официальные оппоненты: Литвинов Олег Станиславович,

доктор физико-математических наук, МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессор

Бобков Владимир Юрьевич,

кандидат технических наук, ООО «Технологии Радиосвязи», генеральный директор

Ведущая организация: ФГУП «Особое конструкторское бюро

Московского энергетического института»

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З, ауд. 526.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор Николай Николаевич Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Актуальность создания многолучевых антенн АФАР связана с развитием систем радиолокации, связи и средств контроля радиоэлектронной обстановки. Многолучевые антенны обеспечивают увеличение емкости радиосетей при улучшенной спектральной эффективности и более высоком качестве обслуживания пользователей.

Многолучевая АФАР имеет многолепестковую диаграмму направленности. Обычно она имеет несколькими независимых входов и выходов, каждому из которых соответствует своя диаграмма направленности -свой луч. Многолучевая АФАР осуществляет параллельный обзор пространства, т.е. в пространстве одновременно формируется множество лучей, расположенных дискретно в секторе сканирования. Сигналы, поступающие на АФАР с различных направлений, могут быть разделены и переданы на различные порты антенны, т. е. разделены в пространстве.

Предметом исследования диссертационной работы является диаграммообразующая система (ДОС). ДОС является основным и одним из самых дорогостоящих звеньев в многолучевой антенной решетке. Ее задачей является формирование амплитудно-фазового распределения (АФР) на входах излучателей антенной решетки. Для увеличения коэффициента направленного действия (КНД), а следовательно и коэффициента усиления антенной системы (КУ) необходимо минимизировать в основном фазовые ошибки в фазовом распределении. Поэтому создание методики синтеза диаграммообразующей системы оптического типа, минимизирующей фазовые ошибки в фазовом распределении для многолучевых АФАР является актуальной темой.

Целью диссертационной работы является создание методики синтеза на основе геометрооптического приближения диаграммообразующих систем оптического типа для многолучевых АФАР, минимизирующей фазовые ошибки в фазовом распределении.

Задачи исследования.

1) Теоретическая часть:

- разработка геометрической интерпретации методики синтеза диаграммообразующей системы оптического типа, на основе законов геометрической оптики.

2) Практическая часть:

- разработка численных процедур, реализующих методику синтеза диаграммообразующей системы на основе законов геометрической оптики;

- внедрение разработанных численных процедур в инженерную практику при проектировании диаграммообразующих систем.

Общая методика исследования заключалась в применении законов геометрической оптики для геометрической интерпретации синтеза ДОСОТ, а также в использовании уравнений Максвелла для разработки численных процедур, описывающих методику синтеза диаграммообразующей системы оптического типа.

Научная новизна работы.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Развита методика синтеза диаграммообразующих систем оптического типа на основе законов геометрической оптики.

2. Найдены аналитические выражения, позволяющие оценивать габаритные размеры диаграммообразующей системы оптического типа для многолучевых АФАР.

3. Найдены аналитические выражения для угла отклонения луча системы ДОСОТ АФАР.

4. Найдены аналитические выражения для определения оптимального положения передающих зондов, минимизирующие средние и максимальные фазовые ошибки.

5. Разработанная ДОСОТ промоделирована на электродинамическом уровне с использованием универсальных электродинамических программ в стационарном и переходном режимах.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- использованием теоретически обоснованного и многократно апробированного метода геометрической оптики;

- проведением аналитических исследований, численных расчетов на программах электродинамического моделирования, а также проведением экспериментальных исследований.

Практическая ценность.

Предложенная методика позволяет эффективно решать задачи синтеза диаграммообразующих систем для многолучевых АФАР. Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика позволяет уменьшить время разработки, снизить затраты, уменьшить габариты и массу конечно изделия. Кроме того, данная методика была реализована в вычислении местоположения зондов, что позволило эффективно синтезировать ДОСОТ при произвольном масштабировании с учетом конструкторско-технологических требований.

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НПО ЛЭМЗ». Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании пяти лучевой диаграммообразующей системы оптического типа для формирования суммарной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП; результаты диссертационной работы были использованы при проектировании пятилучевой диаграммообразующей системы оптического типа для формирования суммарно-разностной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП.

Выпущены методические указания к лабораторным работам, разработаны и внедрены в учебный процесс на кафедре "Радиоэлектроники и телекоммуникаций" МИЭМ НИУ ВШЭ вычислительные процедуры, реализованные на программном комплексе Ма&САГ), которые используются при проведении лабораторных работ по курсу "Техническая электродинамика" в 7, 8 семестре для групп по специальности 211000 "Конструирование и технология электронных средств".

Положения, выносимые на защиту.

• Реализация методики синтеза ДОСОТ для многолучевых АФАР на основе методов геометрической оптики.

• Реализация методики оценки габаритных размеров ДОСОТ для АФАР.

• Аналитические выражения для вычисления угла отклонения луча системы ДОСОТ для АФАР.

• Аналитическое выражение для нахождения расстояния передающего зонда от вершины эллипса, на котором расположены приемные зонды для минимизации средней фазовой ошибки.

• Аналитическое выражение для нахождения расстояния передающего зонда от вершины эллипса, на котором расположены приемные зонды для минимизации локальной фазовой ошибки на границе апертуры.

Апробация работы.

Результаты работы, изложенные в настоящей диссертации, были доложены автором на следующих конференциях:

• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2011 г.

• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2012 г.

• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2013 г.

• 18-ой Международной студенческой конференции-школы-семинар «Новые информационные технологии», Крым, 2010 г.

По теме диссертации опубликовано в соавторстве 2 статьи в журнале "Антенны", 2 статьи в журнале «Радиотехника и электроника», 2 монографии в издательстве «Lambert Academic Publishing», часть материала была использована в методических указаниях к лабораторным работам, выпущенных на кафедре РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ.

Объем и структура диссертации.

Работа состоит из 6 глав (а также введения и заключения), содержит 205 страниц основного текста, 5 страниц списка литературы (42 наименования), 121 рисунков, приложение, содержащее 2 акта внедрения результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются: постановка задачи и обоснование выбора методики ее решения, основные задачи диссертационной работы в теоретическом и практическом плане, ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены общие принципы построения диаграммообразующих систем для многолучевых АФАР. Показаны два типа построения ДОС: последовательного и параллельного типа. В данной главе произведен анализ существующих решений в области диаграммообразующих систем оптического типа. Выбран тип ДОСОТ для решения поставленных задач диссертационной работы.

Во второй главе описана методика синтеза диаграммообразующей системы, а также методика по нахождению местоположений приемных зондов и передающих зондов с учетом критериев по минимизации средней фазовой ошибки и локальной фазовой ошибки на границе апертуры.

Рассмотрим систему, структурная схема которой изображена на рис.1. Система состоит из распределительной системы оптического типа и излучающей апертуры.

Излучающая

Распределительная система

Рис. 1. Структурная схема многолучевой фазированной антенной решетки с диаграммообразующей системы оптического типа.

Диаграммообразующая система оптического типа показана на рис. 2 и состоит из полости в металле А, М излучающих зондов > уу приёмных

зондов } дг коаксиальных кабелей длиной (см. рис. 1 и рис. 2.) и

является Н-плоскостной системой [10, 11].

Рис. 2. Геометрия диаграммообразующей системы оптического типа.

Излучающая апертура состоит из N излучателей (см. рис. 1), N

коаксиальных кабелей распределительной системы длинной Ц , соединяющих зонды с излучателями /?, -^д, так, как показано на рис. 1. Расстояние

между соседними излучателями распределительной системы равно с1 . Входами линзовой системы являются зонды Линзовая система излучает в

открытое пространство через излучатели -^Лд, . Положение зондов 2,, -н 2м, варьируется для получения оптимального фазового распределения на излучателях . Использование кабелей Ц ^¿/у позволяет ввести

дополнительную степень свободы и геометрически разделить задачу получения фазового распределения и излучения.

Излучающая апертура

Рис. 3. Заданные углы излучения апертуры. Для обеспечения отклонения фазового фронта плоской волны на угол а ■

(/ =1 + М) (см. рис. 3), разность фаз Д<р] между соседними излучателями Л, и

должна составлять следующую величину (см. рис. 4):

Аа, = 2л—

1 »1

(1)

где О ■ - расстояние вдоль линии расположения излучателей между точками электромагнитной волны с фазой, отличающейся на 2л для плоской

волны с наклоном фазового фронта на угол а . Кратчайшее расстояние между

двумя точками, отличающимися по фазе на 2п равно длине волны X (см. рис. 4). А расстояние О , как видно из рис.4., может быть определено из тригонометрических соотношений [21] следующим образом:

(2)

г;

Рис. 4. Определение разности хода для обеспечения заданного угла отклонения

главного луча ДН АР. Объединяя выражения (1) и (2) получим следующее соотношение для определения Д<р,:

й^Ш а

Ь<р, = 2л-(3)

Л

Для обеспечения отклонения луча, излучаемого апертурой, на угол cij необходимо обеспечить разность длин Дгу (4),

А Г] = d sin a¡ (4)

Рассмотрим на рис. 5 геометрию задачи, где определим условие расположения зондов Z1-i-ZN, относительно зонда Zv что означает выполнение условия (4) для j -1.

Пусть расстояние от зондаZr до зонда Zj равняется Ijj (см. рис. 5), тогда геометрическое место точек, для которых это условие выполняется - это окружность радиуса /п с центром в точке Zv. Таким образом, зонд Z¡ может

быть расположен в любой точке данной окружности.

Зонд Z2 будет расположен в любой точке окружности радиуса 112 с

центром в точке Zj, причем

к,2 = k,i + Ari ■ (5) По аналогии - зонд Z, будет расположен в любой точке окружности радиуса /и, что должно быть справедливым для всех i ='i ^ N (см. рис.5) и должно выполнить следующее соотношение:

h,i = 'u+M -('-I) (6)

Теперь рассмотрим ситуацию для зонда ZM.. Определим условие расположения зондов Zj +ZN, относительно зонда ZAÍ. (см. рис. 5).

Пусть расстояние от зондаZM, до зонда 7Л равняется 1М1, тогда

геометрическое место точек, для которых это условие выполняется - это окружность радиуса 1Ш с центром в точке ZM,. Таким образом, зонд Z1 будет расположен в любой точке данной окружности.

3oHflZ2 будет расположен в любой точке окружности радиуса lM2 с

центром в точкеZM>, причем

м >

(7)

которое с учетом условия (2.7) будет выглядеть следующим образом:

1М.2=1ил~Аг1

(8)

Отметим, что если радиусы окружностей с центром в месте расположения зонда 2у будут увеличиваться на величину Дг15 то радиусы окружностей с центром в месте расположения зонда 2М. будут уменьшаться на ту же самую величину.

По аналогии зонд Zí будет расположен в любой точке окружности, центр радиуса 1М1 для всех / = 1-5-ДО(см. рис. 5) и должно выполняться следующее соотношение:

Таким образом, зонды будут располагаться на эллипсе, а

зонды ' и ' в фокусах данного эллипса, т.к. сумма расстояний от зондов и 2МХ будет оставаться постоянной.

Рис. 5. Определение геометрического места точек для совместного выполнения

(9)

условий расположения приёмных зондов + для излучающих зондов 2У и

Если в данной системе соединить выходы распределительной системы линзового типа с апертурой антенны кабелями одинаковой длины Ь], тогда получится, что угол отклонения луча будет соответствовать а; при возбуждении зонда и ам = -ах при возбуждении зонда 2М., при этом линза будет работать в широком диапазоне частот, поскольку выравнивается не фаза, а длина пути луча.

В данной системе приемные зонды располагаются на эллипсе,

причем расстояние между соседними зондами вдоль большой полуоси эллипса Ах (см. рис. 6) одинаково и равно:

Ах = уЛг (Ю)

Приращение длины внутри распределительной системы Аг выбирается из условия обеспечения требуемого угла отклонения луча на излучающей апертуре.

Однако если распределительная система заполнена диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью £, то длина волны внутри

распределительной системы будет в -1Ё раз меньше, чем в открытом пространстве и выражение (10) может быть записано в следующем виде:

. а й 5ш(а,)

7 с»)

Рис. 6. Место расположения приемных зондов ¿х^^и.

При разработке методики выбора местоположения передающих зондов были заданы критерии по минимизации средней фазовой ошибки (линза 1-го рода) и минимизации фазовой ошибки на границе апертуры (линза 2-го рода).

Расстояние от излучающего зонда до приемного зонда

расположенного в вершине эллипса, равно -Я, (см. рис. 7):

Рис. 7. Геометрия расположения зондов диаграммообразующеи системы

оптического типа.

Тогда в зависимости от выбранного угла у,, который равен углу между малой полуосью эллипса и лучом, проходящим из вершины эллипса к

передающему зонду

Z,

запишем выражение для расстояния II,, на котором

могут располагаться передающие зонды при условии минимизации средней фазовой ошибки:

R. =

пАх

cos уi ^ А

(13)

A cos у

\ ' J /

где А - коэффициент, зависящий от параметров эллипса и заданного шага между излучателями на апертуре.

Выражение для расстояния , равное расстоянию между вершиной

эллипса и излучающему зонду :у, местоположение которого выбрано с учетом

минимизации фазовой ошибки на границе апертуры выглядит следующим образом:

Г] ^-/г + л/^'-С (14)

где Р и С - коэффициенты, зависящие от выбранного угла У), параметров

эллипса и выбранного шага между излучателями на апертуре.

В работе приведен пример построения диаграммообразующей системы для следующих исходных данных: Количество приемных зондов:

N = 69 (15)

Количество передающих зондов:

М =5 (16)

Большая полуось эллипса, приемных зондов 2Х - 269:

а = 340мм (17)

Углы отклонения диаграммы направленности (ДН): а, =-а5 =атах =3.62°

а2 = -а.ц = 1.81°

а3=0°

(18)

Рабочая частота:

^ = Л.2ГГц (19)

Расстояние между излучателями:

а = 42 лш (20)

Проекция расстояния между приемными зондами на большую полуось 7-7 •

69 •

Дх = 6.92лш (21)

Относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющую распределительную систему:

г = 2.1 (22)

С помощью приведенных выше аналитических выражений по нахождению местоположения приемных и передающих зондов можно оценить габариты системы, а также графически отобразить места расположения приемных и передающих зондов. Для исходных данных (15) - (22) картина следующая:

Рис. 8. Кривые расположения зондов: а - приемных зондов, б - передающих зондов для линзы 1-го рода, в - передающих зондов для линзы 2-го рода. При размещении передающих зондов в области между кривыми бив (см. рис. 8), т.н. линзы 3-го рода (см. рис 9), можно достичь усреднения значений фазовых ошибок, а также заложить устойчивость системы к технологическим погрешностям при изготовлении.

Рис. 9. Построение окружности для расположения передающих зондов линзы 3-

го рода.

Приведем графики зависимости максимального отклонения длины фазового набега по сравнению с идеальным значением для линзы 1-го, 2-го и 3-го рода.

Кривая «а» на рис. 10 показывает зависимость для линзы 1-го рода, кривая «б» на рис. 10 показывает зависимость для линзы 2-го рода, а кривая «в» - для линзы 3-го рода. Из графика отметим, что максимальная фазовая ошибка по длине для линзы 3-го рода будет равна 0,25 мм. Пересчитаем данную фазовую ошибку в градусы, исходя из условий (20) и (22):

(ршах =--------~ 1,85 (23)

где с — скорость света в вакууме.

Т.е. при изготовлении линзы 3-го рода с достаточно большим допуском по неточности размещения передающих зондов равным 3,06мм, фазовая ошибка будет незначительной.

II

Рис. 10. Сравнение максимального отклонения по длине фазового набега по

сравнению с идеальным значением для линз 1-го, 2-го и 3-го рода при максимальной фазовой ошибки.

Приведем графики диаграмм направленности для рассчитанной распределительной системы. Представим графики для равномерного амплитудного распределения (см. рис. 11), для амплитудного распределения косинус на пьедестале с Д=0.1 (см. рис. 12), и для амплитудного распределения растянутого косинуса на пьедестале с Л=0.1 (см. рис. 13).

Проанализируем результаты рис 11-13:

• При равномерном распределение получается самый узкий луч — пересечение на уровне -7 дБ, и максимальный уровень боковых лепестков - 13 дБ.

• При распределении косинус на пьедестале (Д=0.1) главный луч диаграммы направленности расширяется - пересечение на уровне -4 дБ, а уровень боковых лепестков уменьшается до - 23 дБ.

• При распределении растянутый косинус на пьедестале (Д=0.1) главный луч диаграммы направленности еще сильнее расширяется -пересечение на уровне -2.5дБ, а уровень боковых лепестков минимизируется до уровня - 41 дБ.

Из соображений оптимизации системы по минимальному уровню боковых лепестков диаграммы направленности будем использовать амплитудное распределение - растянутый косинус на пьедестале (Д=0.1). Данное амплитудное распределение обеспечивается различными коэффициентами усиления усилителей в каждом канале АФАР.

Рис. 11.Диаграмма направленности при равномерном амплитудном распределении.

Рис. 13. Диаграмма направленности при распределении растянутый косинус на

пьедестале.

Из полученных диаграмм направленности видно, что при построении многолучевых АФАР на основе предложенной методики, возможно реализовать уровень боковых лепестков до 40 дБ.

Д_третьей главе промоделированы переходные процессы в

диаграммообразующей системе оптического типа, построены диаграммы распределения модуля вектора напряженности электрического поля.

В четвертой главе промоделирован возбудитель электромагнитной волны, который является переходом от коаксиального кабеля к зонду линзы.

В—пятой главе приведен пример моделирования частотного мультиплексора, построенного на основе принципов геометрической оптики.

В шестой главе рассмотрен дискретный фазовращатель, реализованный в приемных модулях многолучевой АФАР.

В заключении представлены выводы по результатам диссертационной работы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Работы, опубликованные автором в рецензируемых журналах,

рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Перфильев В.В., Климов К.Н., Фирсов-Шибаев Д.О. Моделирование Е-плоскостного частотного мультиплексора методом геометрической оптики // Антенны. 2012. №8. С.57-64. (0,6 п.л., личный вклад автора 0,2 п.л).

2. Фирсов-Шибаев Д.О., Климов К.Н, Гежа Д.С. Возбудитель для СВЧ-распределительной системы оптического типа // Антенны. 2012. №11. С.48-52. (0,4 п.л., личный вклад автора 0,15 п.л).

Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации:

3.Фирсов-Шибаев Д.О., Перфильев В.В., Климов К.Н. Использование универсальных ЗО электродинамических программ для моделирования распределительной системы многолучевой АФАР // Тезисы докладов XVIII

Международной студенческой конференции-школы-семинара «Новые информационные технологии». 2010. МИЭМ. С.135-137. (0.12 п.л., личный вклад автора 0,04 п.л).

4. Фирсов-Шибаев Д.О. Моделирование распределения электрического поля распределительной системы 5-лучевой АФАР во временной области // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Москва. 2010. С.319-321. 0,12 п.л.

5. Фирсов-Шибаев Д.О., Перфильев В.В. Расчет коаксиального зонда диаграммообразующей системы // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Москва. 2012. С. 254-255. (0,12 п.л., личный вклад автора 0,06 п.л).

6. Перфильев В.В., Фирсов-Шибаев Д.О. Определение погрешности моделирования неоднородной среды методом геометрической оптики // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Москва. 2012. С.277-278. (0,16 п.л., личный вклад автора 0,08 п.л).

7. Климов К.Н., Фирсов-Шибаев Д.О., Гежа Д.С. Практическое применение электродинамического моделирования при решении инженерных задач. - Lambert Academic Publishing, 2012г., 216 с, (5,4 п.л., личный вклад автора 1,8 п.л).

Лицензия ЛР № 020832 от «15» октября 1993 г. Подписано в печать ноябрь 2013 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,09 Тираж 100 экз. Заказ № 92

Типография издательства НИУ ВШЭ, 125319, г. Москва, Кочновский пр-д., д. 3.

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

ФИРСОВ-ШИБАЕВ ДЕНИС ОЛЕГОВИЧ

ДИАГРАММООБРАЗУЮЩАЯ СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОГО ТИПА

ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВЫХ АФАР

Специальность 05.12.07-Антенны, СВЧ устройства и их

технологии Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

К. Н. Климов

На правах рукописи

Москва-2013

Оглавление

Введение.............................................................................................5

Современное состояние вопроса и актуальность темы..........5

Выбор и обоснование метода исследования............................6

Основные задачи диссертационной работы............................6

Научная новизна.........................................................................7

Практическая ценность..............................................................7

Внедрение....................................................................................8

Апробация...................................................................................8

Содержание работы....................................................................9

Глава 1. Многолучевые антенные решетки..................................11

1.1 Схемы построения многолучевых антенных решеток ...11

1.2 Многолучевые антенные решетки на основе параллельной ДОС..............................................................................18

1.3 Многолучевые антенные решетки на основе последовательной ДОС......................................................................23

1.4 Антенны на многомодовых волноводах..........................28

1.5 Линза Руза...........................................................................33

1.6 Линза Гента.........................................................................36

1.7 Линза Ротмана в качестве диаграммообразующего устройства............................................................................................37

1.8 Многолучевая линза Максвелла.......................................40

1.9 Линза Микаэляна...............................................................141

1.10 Линза Люнеберга..............................................................42

1.10 Квазиоптическая линза Климова....................................44

1.11 Выводы..............................................................................45

Глава 2. Геометрическая интерпретация синтеза квазиоптической распределительной системы для многолучевых фазированных антенных решёток............................................................47

2.1 Структура линзовой системы............................................47

2.2 Постановка задачи.............................................................,50

2.3 Переход к геометрическому решению задачи.................53

2.4 Геометрическое построение положений приемных зондов ZX-ZN.....................................................................................55

2.5 Лемма - свойство эллипса................................................60

Доказательство леммы.............................................................62

Следствие свойства эллипса....................................................64

2.6 Условие по углу направления луча..................................67

2.7 Условие по минимизации средней ошибки.....................70

2.8 Условие по минимизации локальной фазовой ошибки на границе апертуры................................................................................81

2.9 Пример построения линзы................................................,95

2.10 Выводы............................................................................111

Глава 3. Моделирование Н-плоскостной распределительной

системы во временной области..............................................................113

3.1 Результаты моделирования распределения электрического поля во временной области..................................115

3.2 Результаты моделирования сигналов, отраженных от входов.................................................................................................121

3.3 Результаты моделирование по развязкам входов распределительной системы............................................................126

3.4 Результаты моделирования распределения амплитуд и фаз для стационарного режима.......................................................131

3.5 Выводы..............................................................................134

Глава. 4. Возбудитель для распределительной системы оптического типа.....................................................................................135

4.1 Постановка задачи............................................................135

4.2 Расчет волнового импеданса поглотителя.....................138

4.3 Моделирование возбудителя в программе Ansoft HFSS .............................................................................................................145

4.4 Экспериментальные исследования.................................147

4.5 Выводы..............................................................................150

Глава 5. Моделирование Е-плоскостного частотного

мультиплексора........................................................................................151

5.1 Постановка задачи............................................................152

5.2 Моделирование первого частотного диапазона............155

5.3 Выводы..............................................................................168

Глава. 6. Дискретный фазовращатель на p-i-n диодах..............169

6.1 Проектирование пассивной части дискретного фазовращателя...................................................................................169

6.2 Проектирование активной части дискретного фазовращателя...................................................................................183

6.3 Моделирование прохождения короткого импульса через секцию фазовращателя.....................................................................197

6.3 Выводы..............................................................................204

Заключение.....................................................................................205

Список литературы........................................................................206

Список докладов на конференциях.............................................211

Список научных работ..................................................................212

Список учебно-методических работ............................................213

Акты внедрений.............................................................................214

Введение

Современное состояние вопроса и актуальность темы

Актуальность создания многолучевых антенн АФАР связана с развитием систем радиолокации, связи и средств контроля радиоэлектронной обстановки. Многолучевые антенны обеспечивают увеличение емкости радиосетей при улучшенной спектральной эффективности и более высоком качестве обслуживания пользователей.

Многолучевая АФАР имеет многолепестковую диаграмму направленности. Обычно она имеет несколькими независимых входов и выходов, каждому из которых соответствует своя диаграмма направленности - свой луч. Многолучевая АФАР осуществляет параллельный обзор пространства, т.е. в пространстве одновременно формируется множество лучей, расположенных дискретно в секторе сканирования. Сигналы, поступающие на АФАР с различных направлений, могут быть разделены и переданы на различные порты антенны, т. е. разделены в пространстве.

Предметом исследования диссертационной работы является диаграммообразующая система (ДОС). ДОС является основным и одним из самых дорогостоящих звеньев в многолучевой антенной решетке. Ее задачей является формирование амплитудно-фазового распределения (АФР) на входах излучателей антенной решетки. Для увеличения коэффициента направленного действия (КНД), а следовательно и коэффициента усиления антенной системы (КУ) необходимо минимизировать в основном фазовые ошибки в фазовом распределении. Поэтому создание методики синтеза

диаграммообразующей системы оптического типа, минимизирующей фазовые ошибки в фазовом распределении для многолучевых АФАР является актуальной темой.

Выбор и обоснование метода исследования

Общая методика исследования заключалась в применении законов геометрической оптики для геометрической интерпретации синтеза ДОСОТ, а также в использовании уравнений Максвелла для разработки численных процедур, описывающих методику синтеза диаграммообразующей системы оптического типа.

Основные задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание методики синтеза на основе геометрооптического приближения диаграммообразующих систем оптического типа для многолучевых АФАР, минимизирующей фазовые ошибки в фазовом распределении.

Теоретическая часть

Разработка геометрической интерпретации методики синтеза диаграммообразующей системы оптического типа, на основе законов геометрической оптики.

Практическая часть

Разработка численных процедур, реализующих методику синтеза диаграммообразующей системы на основе законов геометрической оптики.

Внедрение разработанных численных процедур в инженерную практику при проектировании диаграммообразующих систем.

Научная новизна

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Развита методика синтеза диаграммообразующих систем оптического типа на основе законов геометрической оптики.

2. Найдены аналитические выражения, позволяющие оценивать габаритные размеры диаграммообразующей системы оптического типа для многолучевых АФАР.

3. Найдены аналитические выражения для угла отклонения луча системы ДОСОТ АФАР.

4. Найдены аналитические выражения для определения оптимального положения передающих зондов, минимизирующие средние и максимальные фазовые ошибки.

5. Разработанная ДОСОТ промоделирована на электродинамическом уровне с использованием универсальных электродинамических программ в стационарном и переходном режимах.

Практическая ценность

Предложенная методика позволяет эффективно решать задачи синтеза диаграммообразующих систем для многолучевых АФАР. Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика позволяет уменьшить время разработки, снизить затраты, уменьшить габариты и массу конечно изделия. Кроме того, данная методика была реализована в вычислении местоположения зондов, что позволило эффективно синтезировать ДОСОТ при произвольном масштабировании с учетом конструкторско-технологических требований.

Внедрение

Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НПО ЛЭМЗ». Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании пяти лучевой диаграммообразующей системы оптического типа для формирования суммарной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП; результаты диссертационной работы были использованы при проектировании пяти лучевой диаграммообразующей системы оптического типа для формирования суммарно-разностной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП.

Выпущены методические указания к лабораторным работам, разработаны и внедрены в учебный процесс на кафедре "Радиоэлектроники и телекоммуникаций" МИЭМ НИУ ВШЭ вычислительные процедуры, реализованные на программном комплексе МаШСАО, которые используются при проведении лабораторных работ по курсу "Техническая электродинамика" в 7, 8 семестре для групп по специальности 211000 "Конструирование и технология электронных средств".

Апробация

Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на:

• 18-ой Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии», Крым, 2010 г.

• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2009 - 2012 г. г.

По теме диссертации опубликовано в соавторстве 2 статьи в журнале "Антенны", 1 в "Радиотехнике и электронике", 2 монографии в издательстве "Lambert Academic Publishing часть материала была использована в методических указаниях к лабораторным работам, выпущенных на кафедре РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ.

Содержание работы

В первой главе излагаются: обзор по существующим методикам построения систем диаграммообразования многолучевых антенных решеток (MAP). Представлены последовательные, параллельные схемы и диаграммообразующие системы оптического типа.

Во второй главе разработана методика и вычислительные процедуры для построения диаграммообразующей системы оптического типа. Разработана методика по нахождению местоположения приемных и передающих зондов с учетом двух критериев: с учетом минимизации локальной фазовой ошибки на границе апертуры; с учетом минимизации средней фазовой ошибки.

В главе представлен пример построения линзы как диаграммообразующей системы оптического типа для 5-лучевой АФАР. Проведены численные процедуры по нахождению местоположений зондов с учетом двух вышеописанных критериев. Показана возможность построения линзы с усредненным критерием для увеличения надежности при изготовлении. Даны сравнительные характеристики построенных линз и построены диаграммы направленности.

В третьей главе проведено моделирование диаграммообразующей распределительной системы оптического типа

во временной области. Это позволило получить результаты для переходных процессов в линзе.

В четвертой главе рассмотрен пример моделирования возбудителя для диаграммообразующей системы оптического типа. Представлен расчет поглощающего материалы для изготовление стенок линзы. Показаны частотные характеристики полученной модели.

Пятая глава показывает пример построения сверхширокополосного ^-плоскостного частотного мультиплексора оптического типа, осуществляющего частотное деление сигнала с одного входа на 3-х частотных диапазона на соответствующие три выхода.

В шестой главе спроектирован пятиразрядный дискретный фазовращатель на р-ьп диодах на основе двухшлейфного моста.

В заключении представлены выводы, которые можно сделать'по результатам изложения содержания диссертационной работы.

а

Глава 1. Многолучевые антенные решетки

1.1 Схемы построения многолучевых антенных решеток

Многолучевые антенны (МА) представляют собой устройства, способные формировать в пространстве несколько диаграмм направленности (ДН), каждой из которых соответствует свой отдельный канал антенны [1]. Такие антенны могут применяться как самостоятельные передающие или приемные устройства, но чаще используются в составе сложных антенн, например, фазированных антенных решеток (ФАР). МА имеют большие функциональные возможности, так как обеспечивают параллельный обзор пространства в широком секторе углов с высокой степенью разрешения, допускают одновременное сканирование несколькими независимыми лучами, а так же допускают управление формой ДН антенны, расширение сектора однолучевого сканирования ФАР и т.п.

Рис. 1.1. Структурная схема МА

Структурная схема МА, изображенная на рис. 1.1, включает в себя излучающую часть, которая может быть выполнена в виде решетки излучателей или раскрыва рупорной антенны,

диаграммообразующее устройство (ДОУ) - основной элемент функциональной схемы, предназначенный для создания требуемых амплитудно-фазовых распределений (АФР) поля в излучающей части, и входы антенны в виде поперечных сечений линий передачи с единственным распространяющимся типом волны.

1 4

13 2 4

Рис. 1.2. Формирование соответствующих ДН входам МА

При возбуждении электромагнитных волн на каком-либо из входов МА в пространстве формируется соответствующая этому входу ДН (рис. 1.2). Работа МА в режиме приема подразумевает, что часть энергии плоской волны, падающей из направления, соответствующего максимуму одной из ДН, собирается на соответствующем входе антенны. Если при этом на остальных входах МА электромагнитные колебания практически отсутствуют, то говорят, что входы этой МА развязаны.

Классификаций МА можно привести достаточно много, одна из возможных таких классификаций разделена на основе различных критериев. Эти критерии условно можно подразделить на две группы. Первая группа включает в себя общесистемные и антенные критерии, например, функциональное назначение МА в системе, динамика и способы формирования луча. Вторая - критерии, определяющие способы схемного построения МА. Так, можно выделить два крупных класса МА по способу реализации излучающей части: апертурные и решетки. На рис. 1.3 приведены схемы построения апертурных антенн. [4]

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Фокальная плоскость

Рис. 1.3. Апертурные МА: а) на основе замедляющей линзы; б) на основе линзы Люнеберга;

в) на основе зеркально-параболической антенны; г) на основе зеркально-параболической антенны с вынесенными

облучателями; д) на основе двухзеркальной антенны; е) на основе параболического отражателя типа «песочные часы»

Диаграммообразующее устройство апертурных антенн представляет собой совокупность облучателей и зеркала или линзы. Облучатели, вынесенные из фокуса зеркала или линзы, формируют ДН, отклоненные от нормали к апертуре. Достоинства оптических МА - это простота конструкции и возможность формирования ДН с малыми боковыми лепестками. Недостатки же таких антенн — низкий

уровень пересечения соседних лучей, малое значение коэффициента использования поверхности (КИП), громоздкость, большая масса.

Для второго класса MA - МА с решеткой излучателей диаграммообразующее устройство выполняется в виде диаграммообразующей схемы (ДОС) матричного типа. В настоящее время известно большое число ДОС для МА на решетках (MAP). Наибольшее распространение получили MAP на основе параллельной (матрица Батлера) и последовательной (матрица Бласса) ДОС (рис. 1.5). Преимущества MAP, построенной на основе матрицы Батлера (рис. 1.5, а), заключаются в возможности составления ДОС из одинаковых восьмиполюсных делителей мощности, например мостов, и набора фиксированных фазовращателей (ФВ). Однако, эта особенность параллельной ДОС предопределяет и ряд