автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн

ОСТАНКОВ Александр Витальевич

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕЗОНАНСНЫХ ГРЕБЕНЧАТЫХ СТРУКТУР ДЛЯ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ АНТЕНН

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства

и их технологии

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж-2011

005001062

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Юдин Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ярыгин Анатолий Петрович;

доктор физико-математических наук, профессор

Литвинов Олег Станиславович;

доктор физико-математических наук, профессор

Бобрешов Анатолий Михайлович

Ведущая организация ОАО "Концерн "Созвездие"

(г. Воронеж)

Защита состоится 15 декабря 2011 г. в 14— часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет".

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

" О" ноября2011 г.

Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Последняя четверть ХХ-го века отмечена появлением нового направления в технике антенных решеток, связанного с использованием открытых излучающих линий передачи. Применение резонансной дифракционной решетки (с периодом, соизмеримым с длиной волны Ло), обеспечивающей эффект пространственного преобразования поверхностной волны линии в объемную (излучаемую) волну, позволило реализовать конструктивно простые и технологичные дифракционные антенны вытекающей волны. Обладая малой размерной глубиной и высоким КПД, подобные антенны нашли и находят применение в стационарных и мобильных радиоэлектронных комплексах двойного назначения. Электродинамическая структура, состоящая из планарного диэлектрического волновода и решетки выполненной в виде отражательной металлической фебенки, может считаться одной из ключевых, поскольку изначально и сегодня широко используется в новых антеннах. J

Интерес разработчиков к подобным антеннам на протяжении всего периода их развития не ослабевал, а в последнее время заметно обострился Актуальность развития теории и техники плоских антенн дифракционного излучения обусловлена стремительным освоением коротковолновой части сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн в связи с решением проблемы электромагнитной совместимости и повышения пропускной способности радиоэлектронных средств. Поверхностный характер энергетических процессов и, как следствие, малые тепловые потери позволяют дифракционным антеннам успешно конкурировать в указанных диапазонах с высокотехнологичными полосковыми антеннами.

Значительный вклад в разработку и исследование антенн вытекающей волны, использующих явление преобразования поверхностных волн в обьем-Д АнДре"К°' Евдокимов, ВВ. Крыжановский, С.А. Провалов, Ю.Б. Сидоренко, А.Ф. Чаплин, С.А. Шило. Заметный вклад в развитие 2ТпмТ^анте™ внесли С.Е. Банков, Д.И. Воскресенский, В.В. Гоб-ЮГ П™?^иничев, А.И. Климов, В.А. Комяк, П.Н. Мележик,

Va n^nf А К Сивов> В И- ЮДИН. М. Ando, С.С. Chen

н Kumasa¡'м-•т-oh¡-

Благодаря работам отечественных и зарубежных авторов большие успехи достигнуты в области технической реализации излучающего раскрыва Г™ " способов его возбуждения, изучения особенностей формирования !TPaBJleHH0CTH- 0днако' несмотря на простоту конструкции клас-См=1ДИфРаКЦИ0Н"°Й антенны' пР°блема Реали^Ции оптимальной гео-раскрыва актуальна и по сей день. Связано это, прежде всего с нею&ежным проявлением разнообразных резонансных эффектов, сопрово-

о™^ВЗаИМ°ДеЙСТВИе повеРх"°<™ой волны с гребенкой и сущесТенно осложняющих исследование подобной антенны. Вместе с тем веется возможность увеличения эффективности и улучшения характеристик направленности антенны при использовании модифицированной геометрии раскрыва, например, с профилированной квазипериодической гребенкой. Г\

Отличительной особенностью антенн вытекающей волны является наличие угло-частотной дисперсии, которая может быть использована как положительное качество - для сканирования диаграммы направленности посредством изменения частоты излучаемого сигнала. Однако при необходимости работы с фиксированным угловым направлением на источник излучения дисперсия приводит к жесткому ограничению частотной полосы антенны. Одним из возможных способов коррекции уппо-частотных зависимостей антенн, содержащих гребенчатые структуры, с целью добиться их частотной инвариантности является усложнение структуры периода за счет введения в гребенку дополнительных канавок и уровней вложенности, использование многослойных и неэквидистантных гребенок.

Антенны на основе гребенчатых структур, как правило, весьма чувствительны к типу поляризации принимаемой волны. Усложнение внутрипе-риодной конфигурации одномерной гребенки, применение двухмерно-периодических структур с коммутацией волновых потоков может обеспечить требуемые степени свободы по управлению поляризационными характеристиками дифракционных антенн.

Одной из тенденций развития антенн СВЧ и КВЧ диапазонов является поиск альтернативы параболическим антеннам. Значительный вклад в разработку плоских отражательных антенных решеток внесли О.Г. Вендик, Г.А. Ерохин, А.О. Касьянов, В.А. Обуховец, М.Д. Парнес, Б.В. Сестрорецкий и др. Актуальным приложением гребенчатых структур является их использование в качестве рефлектора зеркальных антенн, что позволяет уменьшить высоту подвеса облучателя и минимизировать габариты антенны.

Разработка и оптимизация характеристик дифракционных антенн неразрывно связана с совершенствованием методологии их анализа и синтеза. Несмотря на бурное развитие систем электродинамического моделирования и проектирования антенн и СВЧ (КВЧ) устройств, точный анализ рассматриваемых антенн, характеризующихся большим электрическим объемом (порядка 50x50x2^ и более), является весьма проблематичным. Действительно, если антенну вытекающей волны с размерами раскрыва 50x50x2^ анализировать в 3-D электромагнитном симуляторе CST Microwave Studio, то для получения достоверных результатов объем следует разбить не менее чем на 5О3 элементарных "кубиков", каждый из которых (с учетом общности соседних) описывается 18-ю компонентами поля. Тогда матрица, с которой будет работать симулятор, должна включать свыше 10 млрд комплексных переменных. Очевидно, что необходимая для анализа установившегося процесса серия итераций с такой матрицей не может быть произведена в ограниченный разумными пределами интервал времени на компьютере рядового разработчика. В этой связи чрезвычайно актуальным является создание электродинамических моделей, учитывающих специфику открытых излучающих структур, наиболее полно отражающих основные процессы, в них происходящие, и одновременно позволяющих избежать трудностей вычислительного характера, которые возникают при использовании симуляторов.

Проблемам теории резонансных дифракционных структур, в том числе методологии их анализа, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Существенный вклад в ее развитие внесли Л.А. Вайнштейн, А.С. Ильинский, А.А. Кириленко, А.Г. Кюркчан. Л.Н. Литвиненко,

2

С.А. Масалов, Е.И. Нефедов, С.Л. Просвирнин, Ю.К. Сиренко, В.Г. Сологуб В.П. Шестопалов, В.М. Шкнль и др. Вместе с тем, в теории дифракционных антенн сохраняется ряд нерешенных задач, связанных с: ♦ созданием простых и эффективных электродинамических моделей, адекватно описывающих в области резонансных частот пространственное преобразование класса электромагнитных волн многослойными металлодиэлектрическими гребенчатыми структурами с простой и сложной конфигурациями периода, конечного размера излучающего раскрыва, квазипериодического и неэквидистантного типов; ♦ параметрическим синтезом дифракционных антенн, использующих гребенчатые структуры простой и модифицированной конфигурации; ♦ разработкой эффективных дифракционных антенн с расширенной полосой частот, фиксированной ориентацией сектора направлений излучения, поляризационной инвариантностью.

Таким образом, в настоящее время актуальной является проблема разработки электродинамических моделей открытых излучающих гребенчатых структур модифицированных конфигураций, обеспечивающих в резонансном диапазоне частот достоверный анализ пространственного преобразования волн и синтез на этой основе перспективных оптимизированных конструкций дифракционных антенн при приемлемых для практики конструирования временных затратах и требованиях к вычислительным ресурсам

Диссертация выполнена на кафедре радиотехники ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в рамках одного из научных направлений университета - "Перспективные радиоэлектронные и формации" СТ*ЮЙСТВа' °ИСТемЫ пеРедачи- приема, обработки и защиты ин-

Объектами исследования являются антенны вытекающей волны на основе планарного диэлектрического волновода, электродинамически связанного с гребенками различной конфигурации и типа: периодическими с простой и сложной структурами периода, квази- и непериодическими многослойными; зеркальные антенны с гребенчатым рефлектором

Предмет исследования - электродинамические модели для анализа и параметрического синтеза гребенчатых структур, предназначенных для реализации раскрыва высокоэффективных дифракционных антенн; методики их проектирования; параметры и конструкции дифракционных антенн, оптимизированных по заданному критерию.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных электродинамических моделей металлодиэлектрических гребенчатых структур ргшшчных, в том числе перспективных модифицированных, конфигураций обеспечивающих достоверный анализ процессов пространственного преобразования класса волн в резонансной области частот, а также методик параметрического синтеза, оценки характеристик и создания образцов таких структур для реализации СВЧ и КВЧ антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с улучшенными и специальными характеристиками

Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы необходимо решить следующие задачи:

1) разработать электродинамические модели пространственного преобразования электромагнитных волн резонансных частот гребенчатыми ан-

•генными структурами, содержащими пленарный диэлектрический волновод и металлические гребенки различных типов и разных морфологий периода;

2) разработать электродинамическую модель зеркальной антенны с плоским гребенчатым рефлектором, учитывающую произвольные размеры, характер размещения регулярных канавок и вид амплитудно-фазового распределения поля облучателя по апертуре устройства;

3) провести комплекс численных и экспериментальных исследований электродинамических характеристик антенных гребенчатых структур различных конфигураций в диапазоне резонансных частот и определить потенциальные возможности дифракционных антенн с повышенным уровнем требований к их электрическим характеристикам;

4) разработать методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов;

5) выявить конструктивные параметры структур для практической реализации эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения, а также зеркальных широко- и узкополосных антенн с плоским рефлектором и сниженными габаритными размерами;

6) создать базовые варианты конструкций дифракционных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач использованы методы скалярной теории дифракции электромагнитных волн, вычислительные методы электродинамики, элементы теории функций комплексного переменного, методы теории СВЧ цепей и антенных решеток, элементы теории радиосигналов, методы линейной алгебры, линейное программирование, генетические алгоритмы, стандартные методы натурных экспериментальных измерений характеристик СВЧ антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) разработан эффективный электродинамический метод анализа антенных одномерно-периодических гребенчатых структур координатного типа, существенно различающихся внутрипериодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), основанный на использовании методов частичных областей, разложения Фурье и развитой концепции "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуля горами;

2) разработана электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической структурой, содержащей помимо гребенки щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, отличающаяся интегрированным учетом всех слоев одновременно, сниженной размерностью результирующей СЛАУ и позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва;

3) разработана новая электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с излучающим раскрывом, имитируемым накрытой планарным диэлектрическим волноводом двухмерной структурой в виде конечной совокупности размещенных в экране прямоугольных канавок, воз-

буждаемой заданной неоднородной волной; модель, позволяя учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок и отражение поверхностной волны от гребенки, отличается от аналогичной по строгости модели сниженными на порядок затратами времени и ориентирована на широкое использование оптимизационных алгоритмов;

4) предложен вариант метода анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанного на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн, отличающийся от известных использованием решения задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке с канавками произвольных размеров и характера размещения в раскрыве, независимостью размерности результирующей СЛАУ от степени сложности амплитудно-фазового распределения поля волны облучателя, что позволяет значительно снизить затраты времени на анализ и широко использовать методики параметрического синтеза;

5) получены новые научные данные об особенностях пространственного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций, позволившие выработать и апробировать рекомендации по применению и выявить конструктивные параметры структур для практической реализации антенн вытекающей волны, отличающихся: ♦ полной эффективностью 60 % и более; ♦ расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот при фиксированном направлении излучения; ♦ электронным управлением поляризацией излучения;

6) впервые установлено, что в режиме излучения вертикально поляризованной волны технически выгодный вариант реализации раскрыва антенны вытекающей волны, при котором зазор между диэлектрическим волноводом и гребенкой отсутствует, а оптимизация амплитудного распределения в раскрыве достигается за счет вариации глубин канавок в направлении вытекания волны (глубинного профилирования гребенки), характеризуется полной эффективностью 75 % и более;

7) разработан метод синтеза излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде профилированной гребенчатой структуры по критерию максимальной эффективности в заданном направлении излучения при обеспечении заданного уровня боковых лепестков диаграммы направленности, основанный на использовании двухэтапной оптимизационной процедуры и эволюционирующего критерия, отличающийся учетом влияния гребенки на замедление волновода, краевых и резонансных эффектов, широтой набора искомых параметров и позволяющий достичь среднего значения эффективности до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ.

Новые научные результаты, полученные в диссертации, позволили решить научную проблему создания электродинамических моделей для достоверного анализа предельно-достижимых характеристик и параметрического синтеза перспективных дифракционных антенн с раскрывом в виде резонансных гребенчатых структур широкого круга модифицированных конфигураций, обеспечивающих приемлемые для практики проектирования временные затраты и требования к вычислительным ресурсам.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что на их основе:

- разработан вариант прикладного математического аппарата и создан практический комплекс алгоритмов по исследованию и оптимизации дифракционных антенн, построенных на основе металлодиэлектрических одно- и многослойных гребенчатых структур с простой и сложной конфигурациями периода, конечного размера, квазипериодического, неэквидистантного типа, классического вида с двойной периодичностью, позволяющий реализовать автоматизированные информационные системы проектирования подобных антенн на базе пользовательских компьютеров;

- созданы и апробированы методики проектирования дифракционных антенн на основе гребенчатых структур с оптимизированными по выбранным критериям характеристиками, позволяющие упростить процесс и сократить сроки разработки, улучшить технические и технологические параметры разрабатываемых антенных систем;

- разработаны базовые варианты конструкций антенн вытекающей волны с электронным управлением поляризацией излучения, расширенной полосой частот, зеркальной антенны со сниженными габаритными размерами.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, базируется на строгих и квазистрогих электродинамических подходах и принципах, корректных математических моделях дифракционных антенн, подтвержденных теоретическими и экспериментальными исследованиями, и в частных случаях согласованием с результатами, опубликованными в научной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ЗАО "ИРКОС" (г. Москва), ФГУП "НКТБ "Феррит" (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ

"Воронежский государственный технический университет" и НОУ ВПО Международный институт компьютерных технологий" (г. Воронеж).

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Метод электродинамического анализа антенных структур, содержащих планарный диэлектрический волновод и периодическую металлическую гребенку, использующий концепцию "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами. Распространение предложенного метода на анализ широкого круга плоских дифракционных антенн с модифицированной внутри-периодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), с двухмерно-периодической гребенкой классического типа.

2. Электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической гребенчатой структурой, содержащей щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва.

3. Электродинамическая модель антенны вытекающей волны, основанная на строгом решении задачи возбуждения одномерной гребенки ограниченной длины заданной неоднородной волной пленарного диэлектрического волновода, позволяющая учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ

размещения в общем случае разноразмерных канавок, отражение поверхностной волны от гребенки и обеспечить существенно лучшее качество анализа и синтеза по сравнению с моделями, опирающимися на теорию бесконечных периодических структур.

4. Метод анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанный на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн и решении задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке, применение которого позволило оптимизировать конструктивные параметры антенны, обосновать эффективность способа уменьшения толщины зеркала при снижении высоты подвеса облучателя в 2 - 3 раза.

5. Новые научные данные об особенностях пространственного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций и влиянии их геометрических параметров на электрические характеристики, позволившие выработать рекомендации по применению структур в качестве излучающего раскрыва эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения.

6. Методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов, использование которых позволило достичь значений эффективности излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде профилированной гребенчатой структуры в среднем до 70% при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ, минимизировать разницу направлений излучения волн ортогональных типов поляризации антенной с одномерной гребенкой и Г-образным профилем канавок.

7. Научно-обоснованные конструктивные особенности построения дифракционных антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, отличающихся улучшенными или специальными характеристиками: расширенной полосой ослабленной угло-частотной чувствительности, электронным управлением поляризацией излучения, сниженными габаритными размерами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции (НТК) "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1996), международной НТК "Радио- и волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Воронеж, ] 997), IV- IX и

шов Межлународных НТК "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж, 1998-2003,2011), XXVIII Московской международной конференции по теории и технике антенн (Москва, 1998), XIII и XIV НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Судак, 2001,2002), всероссийской НТК "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2004), международной НТК "Компьютерные технологии в технике и экономике" (Воронеж, 2007), IV и V международных семинарах "Физико-математическое моделирование систем" (Воронеж, 2007, 2008), VI всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) "Современные пробле-

мы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 2009), международной научной конференции "Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике" (Воронеж, 2010), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 1996 - 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в том числе 33 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 книги.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [ 1,2,36] -существо метода электродинамического анализа антенных одномерно-периодических гребенчатых структур, рекомендации по применению структур; [9,11,15,35,37,39,40,43,44, 48,52,55,60-64,69,74-77] - постановка задачи, электродинамические модели гребенчатых структур, исследования характеристик; [32,33,45.87] - методики конструктивного и параметрического синтеза излучающего раскрыва антенны и его численная реализация; [3,5,8,24,41,50,58,59,67,68,71] - электродинамическое моделирование гребенчатого раскрыва антенн; [7,46] - численная оптимизация раскрыва антенны; [4,10,53,54]-моделированиеэксперимента, обработка экспериментальных данных и сопоставление с расчетными; [12,47,49,70,80] - предложения по методике анализа характеристик структуры, обобщение результатов; [13,17,66,73]-расчет конструктивных параметров антенны; [14,51 ] - методика расчета параметров рефлектора антенны; [16,72] - моделирование и разработка конструкции устройства; [25] -анализ результатов моделирования антенны; [26] - участие в разработке конструкции антенны; [6,18,19,21,34,42, 65] - участие в решении дифракционной задачи, обсуждение результатов; [31,38]- обсуждение исследования.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 404 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 397 страницах, включает 191 рисунок и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе изучения монографий, научной периодической и патентной литературы проведен анализ современного состояния теории и техники плоских дифракционных антенн, реализованных на основе открытых электродинамических структур, неотъемлемой частью которых являются резонансные дифракционные решетки. Оценены возможности, основные технические параметры и области применения подобных антенн в контексте перспектив их развития и совершенствования. Представлен обзор аналитических, полуаналитических и численных методов анализа излучающих структур, положенных в основу реализации дифракционных антенн. Проведен критический анализ возможностей и эффективности применения современных программных средств численного электродинамического моделирова-

ния при разработке антенн на основе открытых электродинамических структур. Выявлена нерешенная проблема и сформулированы основные направления исследований.

Во второй главе рассмотрен принцип действия антенны вытекающей волны на основе открытой линии (планарного диэлектрического волновода (ПДВ)), экранированной периодической гребенкой (рис. 1), и физически обосновано расширение чувствительности антенны к угловым, частотным и поляризационным параметрам волны при усложнении внутрипери-одной конфигурации гребенчатой структуры (ГС) путем введения на периоде дополнительных канавок прямоугольного профиля как с совпадающими на одном уровне плоскостями раскрыва (рис. 2,д), так и размещенных в разных (двух, трех) несовпадающих уровнях относительно плоскости раскрыва гребенки (рис. 2,6 - двухуровневая ГС).

Рис. 1 Рис. 2

В предположении возбуждения антенны принимаемой плоской однородной электромагнитной волной линейной поляризации, согласования ПДВ с выходным устройством, пространственной неограниченности одноуровневой ГС (рис. 3) и отсутствия тепловых потерь в гребенке методом частичных областей с использованием представления компонент поля дифракции рядами Фурье и "сшивания" касательных компонент поля на границах раздела областей получена система функциональных уравнений, которая методом разложения Фурье модальных функций поля в канавках по базису смежной области сведена к парной СЛАУ 1 -го рода относительно парциальных волн частичных областей. Для реализации граничных условий на поверхностях меж-канавочных ребер в плоскости раскрыва гребенки использована развитая концепция "псевдоканавок", в соответствии с которой ребра конечной ширины рассмотрены как канавки прямоугольного сечения исчезаю-ще малой глубины, а поле в них описано в базисе, автоматически обеспечивающем граничные требования на металлических стенках. При решении расширенной СЛАУ (с учетом наличия в ГС "псевдоканавок") глубина "псевдоканавок" устанавливается равной нулю, тогда комплексные амплитуды Рис. 3

поверхностной волны

дифракционная решетка

решетки

излучаемая объемная волна

угол

поверхностная

диэлектрический

мод таких канавок представляют собой коэффициенты разложения компонент поля области над гребенкой в плоскости раскрыва гребенки по гармоническому базису. Ниже приведена бесконечная СЛАУ с неизвестными комплексными амплитудами А„ пространственных гармоник поля над ГС и мод канавок гребенки для случая Я-поляризации принимаемой волны:

-12 'соз^Ч т =Д°,

к=1т=0

Рп -1 Е 0*>со<€Х УЛ^'Ч )•□ п1т- )=-А°п-сго,

к = 1ш=0

где Х^ = Ап■ ехр(-/упг) -со5(г]пт); {лр}„ ={1,у„}-(1-Мт111т)/2х

- коэффициенты

возбуждения раскрыва гребенки; Д'5 - символ Кронекера; уп ,г|п .в',1;'' - постоянные распространения пространственных гармоник и мод канавок; Г2„кт -

коэффициенты разложения функций, описывающих поля в канавках,_

Сформулировано и обосновано правило усечения СЛАУ: ,Л'2,

где /V, 2 ={М- 1)/2±епИ'ге(£5тф/Я.о); т=0,(Л/к-1), где ЛУк =ет1ге(Л/-/кМ-целое нечетное число.

Искомые угло-частотная характеристика (УЧХ) антенны и зависимость постоянной ослабления поверхностной волны от частоты определяются на основе расчета угло-частотной поверхности (УЧП) распределения интенсивности доминирующей поверхностной гармоники рассеянного поля (-1 )-го порядка в плоскости частоты (параметра А = £/А<,) и угла прихода (<р) первичной волны. Приведены соотношения, позволяющие по известной величине постоянной ослабления а_, найти основные технические параметры антенны.

Электродинамическая модель, разработанная на основе предложенного метода, отличается от известных интегрированным учетом ПДВ и усложненной структуры периода гребенки, малой размерностью СЛАУ, число уравнений которой определяется лишь числом М учитываемых мод в канавках и "псевдоканавках", простотой расчёта коэффициентов СЛАУ, описываемых выражениями, не содержащими рядов и интегралов, что позволяет широко использовать оптимизационные алгоритмы. Адекватность модели обоснована имитацией частных вариантов конфигурации, описанных в литературе, проверкой соответствия модели исходной физической задаче по качеству выполнения ряда фундаментальных условий (закона сохранения энергии, граничных требований на поверхности металла, условия Мейкснера на ребрах структуры и др.). Предложенный метод, опирающийся на концепцию "псевдоканавок", далее распространен на анализ широкого круга дифракционных антенн с модифицированной внутрипериодной структурой гребенки.

Разработана электродинамическая модель антенны вытекающей волны с одноуровневой гребенкой, основанная на определении комплексной постоянной распространения вытекающей волны открытой излучающей ГС посредством решения характеристического уравнения, полученного на основе более строгого способа алгебраизации системы функциональных уравнений (методом переразложения Фурье и сведения к СЛАУ 2-го рода):

10

<И'п" 71 I /й„-*]кт-(в1т/ек-Рп ,7,«=-Л',Л/) = О,

к=1 т=0

где 2Л' + 1 = А/, и В,\'кп - коэффициенты разложения функций, описывающих поля в канавках, по базису смежной области и обратного разложения. Модель позволяет учесть модифицированную внутрипериодную структуру ГС и гарантировать решение за счет использования генетического алгоритма.

Произведено сопоставление обеих электродинамических моделей, выявлены их преимущества и недостатки, обозначены пути комплектования применительно к анализу и параметрическому синтезу раскрыва антенн.

Третья глава посвящена исследованию и разработке антенн вытекающей волны, содержащих периодические ГС одноуровневого типа.

На основе разработанного математического аппарата проведено теоретическое исследование преобразования объемной волны в поверхностную одноуровневыми ГС с разной степенью сложности периода. Выяснено, что целенаправленное размещение на периоде гребенки дополнительных канавок способствует: ♦ появлению участков УЧХ с более выраженной или. напротив, ослабленной угловой дисперсией, обеспечивающему возможность создания антенн со специальными частотными характеристиками; ♦ эффективному преобразованию волн ортогональных типов поляризации, позволяющему реализовать антенны с управляемой поляризацией излучения.

Выполнено экспериментальное исследование преобразования волн гребенчатыми структурами классической конфигурации, подтвердившее адекватность созданной электродинамической модели. Представленные результаты показывают, что отличие измеренных и расчетных УЧХ антенн в резонансном диапазоне составляет в среднем менее 2°, а среднеквадратическое отклонение расчетной постоянной ослабления не превышает 15...25%.

Результаты исследований использованы для 4 разработки предназначенной для приема (излуче- ^ ния) волн линейной поляризации дифракционной антенны вытекающей волны (рис. 4), прямоугольная апертура которой выполнена в виде одномерно-периодической гребенки I, накрытой слоем диэлектрика 2, и возбуждается со стороны торца с помощью линейной гребенчатой структуры 3-4, запитываемой пирамидальным рупором 5. Для ^ обеспечения амплитудного распределения в плоскости уОг, близкого к равномерному, апертура устройства 3-4 и торец ПДВ 2 ориентированы под углом к ребрам канавок гребенки 1. Антенна обладает игольчатой диаграммой направленности (ДН), максимальной эффективностью (произведением КПД на КИП) 60 %, относительной полосой частот 3 % при фиксированном направлении излучения, коэффициентом усиления не менее 33 дБ на частотах 10.9 -11.7 ГГц при габаритах 550x450 мм2.

Исследован и апробирован вариант реализации антенны вытекающей волны с электронным управлением поляризацией излучения (рис. 5) на основе одномерно-периодической ГС одноуровневого типа 1 с двумя разноразмерными канавками на периоде, позволяющий избежать существенного услож-

нения устройства возбуждения 3-6 поверхностной волны ПДВ (6 - ферритовый поляризатор). Установлено, что разница направлений излучения волн ортогональных линейных типов поляризации может быть минимизирована (до 0.5°) в узкой полосе частот (до 1 %) за счет реализации ослабленной дисперсии поверхностной волны £-поляри-зации и усиленной - //-поляризации. Предложен алгоритм оптимизации, ключевым моментом которого является поиск глубин канавок, удовлетворяющих минимаксному критерию Iф"тач-ф-1 тахI->т 1 п (<рНтах-угол максимального приема). Найдены параметры гребенчатой структуры (ет=2.5, т=г=0.21.

=0.2/,, /7,=0.18/,, /2 = 0.8/,, /(2 = 0.65/.), обеспечивающие идентичность электрических характеристик антенны для Н- и ¿-поляризаций объемной волны, преобразуемой в поверхностную волну с эффективностью до 60% (рис. 6. Дфо 7— сектор максимального приема, Эфф - эффективность раскрыва).

Рис. 6

Изложенная в главе 2 электродинамическая модель преобразования гребенчатой структурой пространственных волн в поверхностные использована для практической реализации метода анализа антенны вытекающей волны, содержащей двумерно-периодическую ГС (рис. 7). основанного на сведении трехмерной задачи дифракции к эквивалентной (с точки зрения антенных характеристик) двухмерной задаче рассеяния волн на ГС с одномерной периодичностью и канавками, запредельными для волны ¿-поляризации.

На основе методики анализа двухмерно-периодических ГС, подтвержденной экспериментально (рис. 8), разработана антенна для приема волн линейной Я-поляризации, реализованная по интерферометрической схеме (рис. 9) и содержащая две двухмерно-периодические ГС I несимметрично размещен-

ные относительно центрального узла возбуждения 2, реализованного в виде противофазного делителя, образованного плоской металлической перегородкой в раскрыве Н-плоскостного секториального рупора. Оптимизация параметров конструкции позволила обеспечить на центральной частоте 10.9 ГГц полную эффективность антенны 72 %, коэффициент усиления не менее 30 дБ, относительную полосу частот до 3%. Путем дополнения конструкции до двойной симметрии и применения двухканального (четы-рехплечевого) устройства возбуждения 2 создана антенна вытекающей волны с электронным управлением поляризацией излучения (рис. 10). Каждое плечо содержит линейные У-образные металлические направляющие, противоположные щели между которыми являются излучающими и нагружены ПДВ; нижняя часть плеча выполнена в виде желоб-кового волновода с диэлектрической вставкой и ленточной решеткой на ее поверхности. Экспериментальные исследования показали, что максимальная эффективность антенны на указанной частоте достигает 65 %.

Результаты исследований использованы для разработки антенны - интерферометра со встречным возбуждением ПДВ 1, содержащей двухмерно-периодическую гребенку 2, четырехканальное устройство возбуждения ру порно-щелевого типа 3 (рис. 11), размещенное под излучающей апертурой. Антенна позволяет осуществлять прием по нормали волн круговой или линейных ортогональных типов поляризации с эффективностью не менее 60% и на центральной частоте 11.3 ГГц обеспечивает коэффициент усиления 32 дБ и полосу частот 250 МГц при габаритах 455x455x55 мм3.

Исследован вариант реализации антенны вытекающей волны с фиксированным направлением излучения волны линейной //-поляризации в расширенной полосе частот, заключающийся в использовании одномерно-периодической ГС одноуровневого типа с несколькими канавками на периоде, параметры которых обеспечивают ослабленное проявление глубинных резо-нансов периодной ячейки. Предложен и апробирован алгоритм параметрического синтеза ГС такой антенны по критерию наибольшего перекрытия секторов максимального приема на трех близких (±2...4%) частотах при фиксации разности глубин соседних канавок и ее последующей вариации. Выявлены глубины канавок трехпазовой гребенчатой структуры (Л, = 0.1/, И2 = = 0.415/,, /¡з = 0.73£ при ет = 2.5, т = г = 0.3/, Л_3 = ¿./3), обеспечивающие стабилизацию угла максимального приема, а следовательно, и пространственного

положения ДН антенны в относительной частотной полосе, превышающей 7%, при эффективности пространственного преобразования волн не хуже 60% (рис. 12 - УЧП оптимизированной гребенчатой структуры).

В четвертой главе для анализа характеристик излучения антенн вытекающей волны, одномерно-периодическая ГС которых обладает ступенчатой двухуровневой формой канавок, разработана простая и эффективная электродинамическая модель, основанная на решении задачи дифракции плоской однородной линейно поляризованной волны накрытой слоем диэлектрика неограниченной периодической гребенкой, волноводные полости которой имеют прямоугольную форму и могут располагаться в двух уровнях относительно плоскости раскрыва структуры (рис. 13). Такая конфигурация периодной ячейки позволяет имитировать ГС, например, с Т-. Г- или Ш-об-разными канавками, обладающими более сложной частотной зависимостью поверхностного импеданса по сравнению с классическим случаем, а также способными переизлучать поле первичной волны с разными типами поляризации. Решение краевой задачи основано на использовании разработанного в главе 2 метода, опирающегося на метод частичных областей в совокупности с концепцией "псевдоканавок" (для имитации межпериодных ребер, внутренних ламелей и ступенчатых уступов) и последующей алгебраизаци-ей системы функциональных уравнений путем разложения модальных функций в ряды Фурье по базисам смежных областей, корректным способом усечения результирующей бесконечной СЛАУ 1-го рода:

п=—л^

пт + Х £

к=| 5=0 к=1 5=0

(V-

2т

ДЬ

V Vй *гн

2. л п ' Л 4п

п Л')

н , 7н ,,н ,,,и

4п|р

,7н г/Н _М/Н

РЛ * ^Р.) 4р|4

где т=0,М\—\, /Ц=епПге[Ш,'/£], /?=0,^-1,Л/{,М)=епПге[Л/-{^,/к}^]. Коэф-

фициенты СЛАУ Я'мШи'/1-45кт'И/1-4р] определяются простыми выражениями, не содержащими рядов, интегралов, а размерность (4Мх4М) - числом (М) учитываемых в поле над антенной пространственных гармоник, которое в од-новолновом режиме не превышает (25-35)-ти, что позволяет применять модель не только для анализа, но и для конструктивного синтеза апертуры. Адекватность электродинамической модели подтверждена путем имитации вариантов конфигурации, описанных в литературе, а также экспериментально.

14

ф 1ти. ф-

':Афи

Выполнено систематизированное изучение свойств антенн вытекающей волны, раскрыв которых реализован на основе ГС с двухуровневыми канавками. Вскрыта роль межуровневого зазора (Ь) как трансформатора входного импеданса канавок нижнего уровня в канал распространения волны.

В ходе методически обоснованного поиска найдены параметры всшноводных полостей двухуровневой ГС. при которых дифракционная антенна длиной ¿а ~~(1 5...20)/. с эффективностью 40-70% излучает //-поляризованную волну в жестко фиксиро- |0 ванном направлении в относительной полосе частот до 7-9% (рис. 14). Показано, что при параметрах ГС, соответствующих 20 рис. 14,б, отклонение прицельного расстояния ПДВ от исходного равномерного несущественно влияет на частотное распределение излучательной способности ГС, что позволяет использовать неоднородную связь

УГГ,'.' 6

3

£,»25. т г-ОМ./, -025/, , = 0 4/,

/, = 0 2Л.А, ,=0. /Ц'0 15/. Л- 02/ 0

0.83 0.90 0.95 д I

ф-1 тах. ф-Щщ^Афо?,0

ч е,'ек-25,т=02/.. г-0 3/../|л = Л/3,А| =0, Лг-0 125/,/л = 025/.. Л - 0 15/.

к

ш

Л'б Рис. 14

ф-I тал - ф-1тах±'/2Дф0 7,'

ПДВ с гребенкой для реализации более высокой эффективности антенны за счет оптимизации амплитудного распределения на ее раскрыве.

С использованием генетического алгоритма и указанного выше минимаксного критерия (при ограничении величины постоянной ослабления а_, в рамках заданного интервала) реализован параметрический синтез излучающего полотна с Г-образной формой канавок, обеспечивающего близкое по эффективности излучение волн ортогональных типов поляризации в совпадающих направлениях. Параметры ГС: ет = 2.56, т = 0.131/, г = 0.244/., и', = 0.2/, ¿=0.643/, /, = 0.2/, А, =0.187/. - обеспечивают при ¿ = 0.875Ао прием (излучение) волн Е- и //-поляризаций под углом 5° (рис. 15) с эффективностью от 60 до 75 % при/А = (20 - 30)/.

На основе метода, изложенного в главе 2 и опирающегося на метод частичных областей и концепцию "псевдоканавок", математически формализована задача об излучении антенны вытекающей волны с раскрывом, содержащим одномерно-периодическую ГС с канавками трехуровневого типа (рис. 16). Задача сведена к СЛАУ относительно амплитуд гармоник, возникающих в спектре поля при дифракции плоской электромагнитной волны вертикальной поляризации на ГС неограниченных размеров. СЛАУ включает в себя три подсистемы, одна из которых получена с использованием описания ступеней второго уровня "псевдоканавками". Малая размерность СЛАУ (менее ЗЛ/хЗА/) и относительно невысокая трудоемкость расчета ее коэффициентов, значительная часть

д

|-- --- ^ Г\

\- ----- ---- --Г-1 -т-Ц

ot

0.84 0 85

0 86 0.87

Рис. 15

0 88 А

которых определяется ограниченными рядами, позволяет использовать модель для анализа и параметрического синтеза излучающего полотна с канавками разнообразной формы, начиная от тривиальной прямоугольной и заканчивая многоступенчатыми конфигурациями карьерного типа и некоординатной формой профиля (при условии ее ступенчатой аппроксимации).

Апробирована методика приближенного анализа антенн вытекающей волны с одномерно-периодическими ГС некоординатного профиля, заключающаяся в аппроксимации контура волноводной полости гребенки кусочно-постоянными функциями и использовании разработанной модели пространственного преобразования волн ГС трехуровневого типа. Установлено, что при такой аппроксимации треугольных канавок гребенки наблюдается удовлетворительное соответствие экспериментальных данных и результатов численного анализа (рис. 17 - УЧХ при й = 0.383£ и г=0,0.21.0.631).

40

Рис. 16

20

-20

0.7

А I

20

-20

— ----

0.7

08

09 Д I

08 0,9

Рис. 17

В пятой главе представлены электродинамические модели и исследование характеристик антенн вытекающей волны, содержащих периодические многослойные гребенчатые структуры. В частности, методом частичных областей с использованием процедуры переразложения Фурье получено решение задачи дифракции плоской однородной Я-поляризованной волны на периодической многослойной ГС, содержащей щелевую решетку (ЩР) с проводниками прямоугольного сечения, размещенную над ПДВ. и экранирующую гребенку с прямоугольными канавками (рис 18,а):

N2

¡V?

+С'п • (_/'ц- А5„ У„ уп)]=-/1

а0

п IМп - (Лп, +Ап7п )+В'п■ (-уК -А5„<уп)+ +А5п V Лп )]=-/£о* +Л°5у5, ¿[ в;,-еХРОЛпТ)-С08(уп/-)/С05(у пф).(д; -Еш+ Л^у „)+

+с'п- ехр(/лпт).С05(упг)/с05(упФ)<Д;1 -Нт-А5пХпУп )1=0.

Рис. 18

где коэффициенты, определяемые ограниченными рядами. Разра-

ботана аналогичная по строгости электродинамическая модель для инверсной (ПДВ - зазор- ЩР - диэлектрик - гребенка, рис. 18.6) конфигурации многослойной ГС, позволяющая имитировать широкий класс частных вариантов геометрии раскрыва (ПДВ - зазор - ЩР - диэлектрик - экран. ЩР - ПДВ - экран).

Установлено, что посредством вариации ширины щелей можно изменять степень взаимовлияния ЩР и гребенки при фиксированных параметрах накрытой слоем диэлектрика гребенки, а наличие перфорации экрана (гребенки) существенным образом усложняет и обогащает картину угло-частотного распределения интенсивности поверхностной волны по сравнению с гладким экраном. Исследованы и предложены базовые конструкции антенн вытекающей волны, построенные на основе металлического волновода с полупрозрачной и импедансной (широкой или узкой) стенками. Выполнен анализ частного случая конфигурации ГС (рис. 18,6), при котором зазор между ЩР и гребенкой отсутствует и структура вырождается в накрытую ПДВ гребенку с канавками, частично экранированными в плоскости раскрыва.

Рассмотрен известный вариант геометрии ГС в виде ленточной решетки на экранированном слое диэлектрика, возбуждаемой размещенным сверху ПДВ, получаемый из исходного (рис. 18,6) заменой экранирующей гребенки гладким металлическим экраном. Предложена методика проектирования антенны вытекающей волны (рис. 19,а), реализованной на основе подобной структуры, возбуждаемой рупорно-щелевым устройством. Представлены результаты численного моделирования и параметрического синтеза структуры "ЩР-ПДВ- экран" для реализации антенны вытекающей волны (рис. 19.6).

Для оптимизации характеристик антенн за счет линейной вариации прицельного расстояния ПДВ (рис. 19,я). ширины щелей решетки (рис. 19.6) в на-

правлении вытекания волны использован способ, заключающийся в расчете зависимости постоянной ослабления поверхностной волны от величины изменяемого параметра, выборе (в качестве рабочего) линейного участка и определении соответствующих его границам предельных значений параметра.

Приведены экспериментальные характеристики антенны радиального типа с излучающим раскрывом в виде ленточной решетки, размещенной на экранированном диэлектрическом волноводе, подтверждающие эффективность модели. Исследованный образец, возбуждаемый прямоугольным волноводом и обладающий диаметром 380 мм, £ = 28 мм, I - О = 14 мм, Ф = 6 мм (бф=2.25), характеризуется эффективностью 50% на частоте 8.87 ГГц при коэффициенте усиления 28 дБ (расчетное значение 31 дБ), полосой частот 7 %, наибольшим уровнем боковых лепестков (УЕЛ) - "минус" 15 дБ, КСВ -менее 2. При возбуждении раскрыва круглым волноводом, позволяющем управлять поляризацией излучения, эффективность антенны составила 46%.

Рассмотрена двухвходовая квазифрактальная антенна вытекающей волны на основе двух размещенных друг над другом ПДВ, экранированных гребенкой, ламели которой гофрированы и образуют подрешетки с малым периодом, причем алементы подрешеток рассматриваемой ГС самоподобны. Расчетные хапактепистшси янтеннм 1г\ис гп^ гг..— коэффициент усиления), полученные методом конечных интегралов Вейланда. свидетельствуют о возможности эффективной работы антенны в двух существенно разнесенных по частоте диапазонах (сантиметровом и миллиметровом).

В шестой главе представлена новая электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с полотном, имитируемым накрытой планарным диэлектрическим волноводом двухмерной структурой в виде конечной совокупности размещенных в экране прямоугольных канавок и возбуждаемым заданной неоднородной волной ПДВ (рис.21). С использованием представления рассеянного поля в виде непрерывного Фурье-спектра формализованная методом частичных областей система функциональных уравнений методом переразложения Фурье с последующим ограничением числа учитываемых мод в канавках сведена к СЛАУ невысокого порядка относительно комплексных амплитуд мод О^' канавок, которая для случая возбуждения излучающего раскрыва низшей ¿-волной ПДВ имеет вид:

"I I----------- -------------иу

N М-1

k=l m=0

at* 4 -T-r^-^

где

{и,ц}Е(Р)=со5[л(Р)т]ехр[-/у(р>]х

л(Р)

l-y^tg[^(P)T]i*i-[l{+}exp(./2y(p»]+ 2 V П(Р)

У(Р)£х

•[l{+}exp(./2y(p)r)]

^:(Р)=0.5ак •ехр[-у'(рдгк +/яя/2)]-(51пс[(Рак +/?т)/2]+Н)т-хтс[(Рак -ттс)/2]).

Получены соотношения для расчета ДН в дальней зоне, излучаемой антенной мощности, мощности поверхностной волны, отраженной от гребенки и прошедшей к периферии излучающего раскрыва. Расчет коэффици-

ентов ct[£s4', определяющих взаимную электродинамическую связь канавок, выполнен численным интегрированием комплексной функции по действительной оси комплексной переменной с предварительным исключением особенностей в полюсах |Р| = р0. соответствующих корням дисперсионного уравнения рЕ(р0) = 0. Выявленные свойства a£sql позволяют сократить число

подлежащих расчету коэффициентов в два раза, а в случае эквидистантной гребенки с канавками одинаковой ширины - в Л' раз.

Модель позволяет учитывать краевые эффекты, обусловленные конечным числом канавок гребенки, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок, отражение поверхностной волны от гребенки, отличается от аналогичной по строгости модели сниженными на порядок затратами времени и ориентирована на использование оптимизационных алгоритмов. Адекватность разработанной модели и высокая степень ее соответствия физическим процессам в антеннах вытекающей волны подтверждена сопоставлением результатов моделирования с расчетными данными, полученными другими авторами, атакже результатами экспериментального исследования макетов антенн.

Расчетным путем получены новые данные о полной эффективности антенны вытекающей волны, позволяющие обоснованно выбрать параметры раскрыва, содержащего эквидистантную гребенку (толщину ПДВ, прицельное расстояние, шаг и глубину канавок) при возбуждении низшей Е- и //-волной ПДВ (см., например, рис. 22, где приведены в линиях равного уровня поверхности эффективности, приведенной к углу излучения ©т, при N=25, б, = 2.56. х = 0.2/„ Л = 0.8, а = 0.31

(а - £-волна), 0.81 (б - //-волна); положения глобальных максимумов показаны звездочками).

Установлено, что в режиме излучения вертикально поляризованной волны технически выгодный вариант реализации раскрыва антенны вытекающей волны, при котором зазор между ПДВ и гребенкой отсутствует, может характеризоваться весьма высоким значением эффективности, вплоть до 75-78%, при равномерном профиле гребенки. Найдены соответствующие геометрические параметры раскрыва, например. т = 0.44/, а = 0.3/, h = 0.50/, А = 0.8 (рис. 23). Показано, что при нулевом прицельном расстоянии (>• = 0) равномерный профиль гребенки, при котором глубина всех канавок одинакова, невыгоден. Более выигрышной является вариация глубин канавок в направлении вытекания волны, которая при соответствующей оптимизации приводит к увеличению эффективности антенны (в среднем на 10 % по сравнению с исходным значением) или снижению максимального уровня боковых лепестков ДН (£,„) (на 10 - 15 дБ при фиксации приведенной эффективности на уровне не ниже 70%). На рис. 24 показаны ДН антенны вытекающей волны с линейной hJL = 0.549-0.080А/Д' (а) и плавно синусоидальной (б) аппроксимациями глубинного профиля гребенки, полученными в результате оптимизации с использованием генетического алгоритма по критериям: Эфф шах (а) и min (Эфф/cos©,,, > 70 %) (б) для N = 25, А = 0.8, а = 0.3/. et-2.56, т = 0.4/ в случае отсутствия зазора между диэлектрическим волноводом и профилированной гребенкой.

Разработан метод синтеза полотна антенны вытекающей волны, содержащего эквидистантную гребенку, по критерию максимальной эффективности в заданном направлении излучения при ограничении максимального УБЛ ДН, основанный на использовании двухэтапной оптимизационной процедуры и эволюционирующего критерия, отличающийся широтой набора варьируемых параметров и позволяющий гарантировать технологическую реализуемость устройства. В качестве оптимизационной процедуры, позволяющей достичь максимума целевой функции (на первом этапе - Эфф -* шах, на втором - Эффшах при с,т < %т тю), использован генетический алгоритм Выходными данными являются период, толщина и прицельное расстояние ПДВ (на первом этапе) и конкретная форма глубинного профиля гребенки (на втором). Результаты апробации продемонстрировали высокую эффективность метода. Для рассмотренных направлений излучения (от -45 до +10°)

найдены геометрические параметры возбуждаемого низшей Е- и Я-вол ной ПДВ излучающего раскрыва, обеспечивающие эффективность антенны от 60 до 80% при УБЛ ДН не более "минус" 20 дБ (рис. 25 - ДН антенн с раскрывом, оптимизированным по указанному критерию (а), и огибающие глубинных профилей гребенки (б) при возбуждении волной ¿-типа).

С использованием генетического алгоритма выполнена одночастотная оптимизация антенны дифракционного излучения интерферомет-рического типа (со встречным синфазным возбуждением плечей) по критериям максимальной эффективности, минимального УБЛ ДН (при снижении эффективности и увеличении КСВ до заданных уровней). Найдены параметры раскрыва, обеспечивающие в первом случае его полную эффективность не менее 90 % при среднем УБЛ "минус" 13 дБ, во втором - уровень бокового излучения "минус" 24-42 дБ при эффективности излучающего раскрыва не менее 60% и ухудшении КСВ до 1.3. Показано, что глубинное профилирование гребенки позволяет не только снизить влияние краевых эффектов и улучшить согласование по входам, но и расширить частотную полосу антенны по максимальному уровню боковых лепестков ДН и КСВ.

В седьмой главе показано, что известная и применяемая на практике инженерная методика расчета зеркальной антенны с плоским гребенчатым рефлектором, обеспечивающей неизменное по положению в широкой полосе частот направление излучения за счет геометрической коррекции канавками разности хода отраженных лучей, вполне адекватно описывает основные процессы, определяющие принцип функционирования антенны. Однако ей присущ ряд недостатков и ограничений, связанных с невозможностью учета таких факторов, влияющих на характеристики излучения, как дифракция на ребрах гребенки и раскрывах канавок, краевые эффекты, многомодовый характер поля в канавках, электродинамическая связь канавок, отличный от стандартного характер амплитудно-фазового распределения поля облучателя в раскрыве зеркала. Вне рамок методики остается выбор важнейшего параметра гребенчатого рефлектора -ширины канавок.

Для анализа и параметрического синтеза линейного варианта антенны с гребенчатым рефлектором и оптическим типом возбуждения в главе решена задача дифракции волны с отличным от плоского амплитудно-фазовым фронтом на ГС конечной длины с канавками разной глубины (рис.26), размещен-

А|До

0.4 \ 0и

0.3

02

-10° -

0 1 ^ ......•• ......."чЗг

0 к

Рис. 25

ной в экране. В основу разработанного метода решения задачи положено представление фронта волны облучателя локально-плоским (кусочно-ломаным) фронтом в конечной совокупности точек раскрыва гребенчатой структуры (рис. 27) и электродинамический анализ дифракции плоской волны с искусственно ограниченным в пространстве фронтом на рефлекторе. Последний реализован на основе метода частичных областей с использованием описания поля дифракции в свободном пространстве в виде непрерывного Фурье-спектра и сведен методом переразложения к СЛАУ с интегральными коэффициентами, преобразованными к виду, наиболее пригодному для расчетов:

к=) т=0

=]Но, •ехр(-7р01д- ).(./<?> +Уш ./*«), гДе "Й1 - коэффициенты взаимной электродинамической связи канавок.

1 "к

■ IН)(Л0|дгч-^к-(оч-ак )/2-4|)х/со5[»171(р+^)/ак ]-соБ(отр /а,

■-'Л' - интегральные коэффициенты возбуждения, обусловленного прямым воздействием /-й локально-плоской волны на ^-ю канавку и электродинамической связью <у-й канавки с "засвеченным" участком раскрыва гребенки; Н0 (х) - функция Ганкеля первого рода нулевого порядка.

Разработанная электродинамическая модель дифракции волны на конечной ГС с произвольным расположением и размерами канавок, обладая относительно малой размерностью, независящей от степени сложности амплитудно-фазового распределения поля волны облучателя, адекватно описывает волновые процессы как в ближней, так и в дальней зонах и может быть использована не только для анализа антенны (в предположении заданной волны облучателя), но и для оптимизации амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, в том числе неэквидистантного типа, и последующего синтеза оптимального облучателя. Следует подчеркнуть, что, несмотря на явную искусственность постановки задачи дифракции локально-плоской волны на ГС, предложенный метод является весьма экономным с точки зрения вычислительных ресурсов, хотя и, несомненно, приближенным.

Исследование особенностей формирования диаграмм рассеяния гребенчатого рефлектора в режимах облучения плоской (с искусственно ограниченным и неограниченным фронтами) и цилиндрической волнами показало, что: ♦ модель дифракции локально-плоской волны на конечной ГС малой и средней длины более достоверно описывает волновые процессы по сравнению с имитацией рассеяния классической плоской волны; ♦ имеется возможность объединять несколько ГС в одну гибридную с частичным сохранением излучающих свойств исходных структур, что позволяет с использованием единого раскрыва реализовать на фиксированной частоте (при отсутствии ди-

Рис. 27

фракционных лучей высшего порядка) многолучевую ДН либо скачкообразно изменять направление максимального излучения при переходе с одной частоты на другую; ♦ при частичном (локальном) возбуждении протяженной ГС в формировании поля дифракции могут принимать участие непосредственно не "засвечиваемые" волной, но связанные по полю канавки, что дает дополнительную степень свободы по управлению полем излучения.

Предложены и апробированы алгоритмы оптимизации излучающих свойств антенны с гребенчатым рефлектором как в полосе частот, так и на фиксированной частоте, использующие для анализа разработанную модель в предположении возбуждения ГС волной с цилиндрическим фронтом. Для типового варианта конфигурации рефлектора (хк+) -л:к = = 2...4>Чь = - ¿/2. 20 = 25£, N=70) выполнена оптимизация ширины канавок рефлектора по критерию минимума уровня наиболее значимых боковых лепестков ДН и максимального КНД в широкой полосе частот (аО1П = 0.11.):

/ц, =9|-т1п[А"Нд,-теап(тах Л"НД|)/тах А!Нд^+8гт!п|^тгдБ|-^т1'п.

1 у \ - \ )

где /,/- индексы векторов значений ширины канавок и длины волны, 9, 2~ весовые коэффициенты. На фиксированной частоте оптимизирован профиль зеркала антенны со сниженной высотой подвеса облучателя при условии ограничения максимальной глубины канавок заданной величиной. Установлено, что в 10 %-й полосе частот угловая дисперсия ориентации главного лепестка ДН антенны (с полученным профилем зеркала) не превышает половины его ширины. Для широкополосного варианта антенны выполнена численная оптимизация неэквидистантного рефлектора (за счет вариации шага), в результате которой на нижних и верхних частотах снизился УБЛ и увеличился КНД на нижних и средних частотах.

Поскольку крайне важное для практики снижение высоты подвеса облучателя антенны с широкополосной коррекцией фронта волны приводит к существенному увеличению максимальной глубины канавок рефлектора и его практической нереализуемости, апробирован способ уменьшения глубины профиля зеркала, заключающийся в использовании диэлектрических вставок в наиболее глубоких канавках. Установлено, что подобный вариант реализации антенны является широкополосным (относительная полоса 50% и более) и может быть использован на практике (рис. 28 - ДН антенны при :а = 8/. для угла фазировки 45° и зеркала с диэлектрическими (еь = 2.56) вставками на частотах 0.3 - 0.5-сИ). Уменьшение характерного размера антенны в 2.3 раза достигается ценой двукратного снижения коэффициента усиления и некоторого увеличения УБЛ.

В главе изложена приближенная методика расчета глубин канавок двумерно-периодического рефлектора, возбуждаемого сферической Е-поля-

ризованной волной облучателя и корректирующего фазовый фронт волны на фиксированной частоте. Приведены расчетные характеристики зеркальной антенны с коррекцией фазового фронта волны облучателя двумерно-периодической ГС. Разработана конструкция антенны (рис.29) применительно к диапазону 10 ГГц с зеркалом 3 округлой формы диаметром 312 мм, содержащим 137 канавок, и облучателем 1 в виде системы вибраторных антенн с круглым рефлектором, запитываемой четырехпроводной экранированной линией 2, возбуждаемой с помощью вибраторов, помещенных в волновод круглого сечения. Приведены результаты экспериментального исследования макета антенны: эффективность - не менее 50%, УБЛ - не более "минус" 15 дБ, полоса частот по КСВ- 10%. Расчетное значение коэффициента усиления составляет 29 дБ. Простота моделирования антенны, сниженный габаритный размер в направлении нормали, достаточно широкая полоса рабочих частот при эффективности 50 %, наличие управления поляризацией излучения позволяют антенне конкурировать с соответствующими аналогами.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях приведены: пример внутреннего тестирования электродинамической модели пространственного преобразования всшн одноуровневой ГС со сложной структурой периода; решение задачи дифракции плоской однородной //-поляризованной волны на неограниченной одномерно-периодической ГС типа "ПДВ - зазор - ЩР - диэлектрик - гребенка": реализация вычислительных процедур в электродинамической модели дифракции объемной искусственно-локальной плоской волны на гребенчатой структуре в экране; акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации разработан комплекс эффективных взаимоувязанных электродинамических моделей металлодиэлектрических гребенчатых структур различных, в том числе перспективных модифицированных, конфигураций, обеспечивающих достоверный анализ процессов пространственного преобразования волн в резонансной области частот, методик параметрического синтеза, оценки характеристик и создания образцов таких структур для реализации СВЧ и КВЧ антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

В диссертации получены следующие основные результаты.

1. Предложен и апробирован метод электродинамического анализа антенных структур, содержащих планарный диэлектрический волновод и периодическую металлическую гребенку, использующий концепцию "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами.

Рис. 29

2. Доказана возможность распространения предложенного метода на анализ широкого круга плоских дифракционных антенн с модифицированной внутрипериодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), с двухмерно-периодической гребенкой классического типа.

3. Разработана электродинамическая модель антенны вытекающей волны с одномерно-периодическими многослойными структурами, содержащими в разных комбинациях плоскопараллельные щелевую металлическую решетку, планарный диэлектрический волновод и металлическую гребенку, позволяющая анализировать широкий класс частных конфигураций излучающего раскрыва.

4. Разработана электродинамическая модель антенны вытекающей волны, основанная на строгом решении задачи возбуждения одномерной гребенки ограниченной длины заданной неоднородной волной планарного диэлектрического волновода, позволяющая учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок, отражение поверхностной волны от гребенки и обеспечить существенно лучшее качество анализа и синтеза по сравнению с моделями, опирающимися на теорию бесконечных периодических структур.

5. Разработан метод анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанный на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн и решении задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке, применение которого позволило оптимизировать конструктивные параметры антенны, обосновать эффективность способа уменьшения толщины зеркала при снижении высоты подвеса облучателя в 2 - 3 раза.

6. Получены новые научные данные об особенностях пространственного преобразования волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций и влиянии их геометрических параметров на электрические характеристики, позволившие выработать рекомендации по применению структур в качестве излучающего раскрыва эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения.

7. Созданы и апробированы методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов, использование которых позволило достичь значений эффективности излучающего раскрыва антенны в виде профилированной гребенчатой структуры в среднем до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ, минимизировать разницу направлений излучения волн ортогональных типов поляризации антенной с одномерной гребенкой и Г-образным профилем канавок.

8. Разработаны базовые варианты конструкций эффективных дифракционных антенн вытекающей волны с одномерно- и двухмерно-периодическими апертурами, возбуждаемыми со стороны торца, интерферометрического типа - с центральным и встречным возбуждением, для приема волн фиксированной линейной поляризации и управляемым типом линейной, круговой поляризаций, антенны с гребенчатым двухмерно-периодическим зеркалом.

Результаты, полученные в диссертации, позволили решить научную проблему разработки электродинамических моделей открытых излучающих гребенчатых структур с расширенным кругом модифицированных конфигураций, обеспечивающих в резонансной области частот достоверный анализ предельно-достижимых характеристик пространственного преобразования волн и синтез на этой основе перспективных оптимизированных конструкций дифракционных антенн при приемлемых для практики проектирования временных затратах и требованиях к вычислительным ресурсам.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Угло-частотная фильтрация линейно поляризованного излучения при приеме СВЧ сигнала / А.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиотехника. - 1998. - № 6. - С. 70-72.

2. Диапазонное снижение угловой чувствительности плоских дифракционных устройств на базе металлодиэлектрических двухуровневых гребенок / А.И. Климов, В.Н. Митрохин, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. - 1998.-Ks 4. - С. 95-103.

3. Плоская антенна миллиметрового диапазона для систем приема и передачи конфиденциальной информации / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Информация и безопасность: регион, науч.-техн. журнал -1999.-Вып. З.-С. 33-39.

4. Экспериментальные исследования антенных характеристик гребенки с двумя пазами и со слоем диэлектрика / АИ. Климов, К.Б. Меркулов, AB. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Приборы и техника эксперимента. - 1999. -К» 4. - С. 113-116.

5. Маскировка плоской СВЧ антенны с управляемой поляризацией под элемент здания для системы скрытного приема-передачи информации / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Информация и безопасность: регион, науч.-техн. журнал. - 1999. - Вып. 4. - С. 9-14.

6. Использование алгоритма компьютерной коррекции пеленга источника сигнала в мобильном комплексе противодействия радиоразведке / A.B. Ашихмин, А.И. Климов, В.Н. Кондратенко, К.Б. Меркулов, A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Информация и безопасность: регион. нгуч.-техн. журнал. -1999. - Вып. 4. - С. 23-28.

7. Плоские дифракционные СВЧ-антенны с фиксированной ориентацией линейной поляризации / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Приборы и техника эксперимента. - 1999. -№ 6. - С. 136.

8. Плоская дифракционная СВЧ-антенна с электронно-управляемой поляризационной чувствительностью / А.И. Климов, К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Приборы и техника эксперимента - 1999. -№ 6. - С. 137.

9. Дифракционный анализ металлодиэлектрической гребенки с пазами, частично экранированными в области раскрыва/A.B. Останков, А.И. Климов, Ю Г. Пастернак, Е.В. Синютин, В.И. Юдин // Радиотехника. -2000. - Ks 9. - С. 91-93.

10. Дисперсионные характеристики металлических решеток прямоугольного и некоординатного профилей, накрытых диэлектриком / А.И. Климов, К.Б. Меркулов A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк, В.И. Юдин // Антенны. -2001. - Ks 5 (51). С> 17-21 •

11. Излучающие свойства структуры типа "пленарный диэлектрический волновод-металлическая гребенка" / A.B. Останков, В.И. Юдин, Ю.Г. Пастернак, А.И Климов // Антенны. - 2001. - К» 6 (52). - С. 29-32

12. Частотно-поляризационная чувствительность дифракционного устройства эшелеттного типа / К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. В.И. Юдин II Антенны. - 2001. - № 6 (52). - С. 33-37.

13. Малогабаритный облучатель для короткофокусных рефлекторных антенн / A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак. О.И. Шерстюк, В.И. Юдин // Приборы и техника эксперимента - 2002. - X» 3. - С. 156-157.

14. Зеркальная СВЧ антенна с плоским дифракционным рефлектором для систем телекоммуникаций и спутникового телевидения / К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерспок. В.И. Юдин // Телекоммуникации. -2002. 11. - С. 25-29.

15. Моделирование рассеяния волн на щелевой решетке, экранированной периодической "гребенкой" со слоем диэлектрика / A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. О.И. Шерстюк, В.И. Юдин// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2003. - Т. 6. - №2. - С. 68-71.

16. Плоская измерительная антенна СВЧ диапазона волн с электронным управлением поляризации излучения / К.Б. Меркулов, AB. Останков. Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерспок, В.И. Юдин // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - № 3. - С. 162-163.

17. Антенна трехсантиметрового диапазона волн с плоским фокусирующим рефлектором / К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк. В.И. Юдин//Приборы и техника эксперимента.-2003,-№4.-С. 165-166.

18. Итеративная модификация метода наведенных ЭДС для задачи уменьшения ошибок пеленга, измеренного с помощью малоэлементных кольцевых антенных решеток / A.B. Иванов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак. В.И. Юдин // Антенны. -2003. -№2 (69). - С. 37-42.

19. Ашихмин, A.B. Электродинамическое моделирование антенной решетки наклонных вибраторов, предназначенной для пеленгования волн произвольной поляризации / A.B. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак. A.B. Останков // Телекоммуникации. -2004.-Л»9.-С. 27-31.

20. Останков, A.B. Анализ излучения антенны с плоским ребристым зеркалом / A.B. Останков// Наука производству. - 2004. - № 11 (79). - С. 46-50.

21. Ашихмин, A.B. Математическое моделирование пелентационной двухли-терной антенной решетки вибраторов методом интегральных уравнений Халлена / A.B. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, A.B. Останков// Антенны. - 2005. - № 6 (97). - С. 26-30.

22. Останков, A.B. Антенна СВЧ диапазона с плоским ребристым зеркалом и малой высотой подвеса облучателя / A.B. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2009.-Т. 5.-№7.-С. 14-18.

23. Останков. A.B. Математическая модель дифракции волны на конечной ме-таллодиэлектрической гребенке для проектирования антенн вытекающей волны / A.B. Останков// Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т. 5. - № 7. - С. 89-91.

24. Квазифрактальная двухдиапазонная антенна вытекающей волны / В.И. Вин-ников, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. И.В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2009.-Т. 5.-№9.-С. 64-67.

25. Исследование возможности построения многочастотной полосковой антенны на основе фрактальной структуры "салфетка Серпинского" / В.И. Винников. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2009.-Т. 5.-№9.-С. 103-107.

26. Перспективные конструкции сверхширокополосных и многочастотных по-лосковых антенн, реализованные на основе принципа фракталыюсти / В.И. Винни-коа A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. И.В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2009.-Т. 5.-№9.-С. 119-123.

27. Останков. A.B. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего раскрыва / A.B. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2010. - Т. 6. -№8.-С. 17-26.

28. Останков, A.B. Ретроспективный анализ возможностей, конструкций и основных характеристик дифракционных антенн вытекающей волны / A.B. Останков// Вестниц Воронежского государственного технического университета. -2010. - Т. 6. -

29. Останков, A.B. Анализ и оптимизация дифракционной антенны поверхностной волны / A.B. Останков // Антенны. - 2010. - № 9 ( 160). - С. 44-53.

30. Останков, A.B. Оптимизация антенны дифракционного излучения, реализованной по интерферометрической схеме/A.B. Останков//Вестник Воронежского государственного технического университета -2010.-Т. 6.-№ 11.-С. 51-54.

31. Обзор современных методов построения квазифрактальных излучающих структур / В.И. Виннинов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, С.М. Федоров// Вестник Воронежского государственного технического университета -2011. -Т 7. -№ 5. - С. 55-59.

32. Останков, A.B. Параметрический синтез линейной дифракционной антенны вытекающей волны с ослабленной поляризационной чувствительностью / A.B. Останков, В.И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета -2011.-Т. 7,-№5._с. 143-146.

33. Останков, A.B. Синтез гребенчатого полотна антенны вытекающей волны с заданным направлением излучения и максимальной эффективностью / A.B. Останков, В.И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2011.-Т. 7.-№ 5.-С. 157-161.

Книги

34. Моделирование малогабаритных сверхширокополосных антенн: коллективная монография / В.Б. Авдеев, A.B. Ашихмин, A.B. Бердышев, C.B. Корочин В M Некрылов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, А.П. Преображенский; под ред. В.Б. Авдеева и A.B. Ашихмина. - Воронеж: ВГУ, 2005. - 223 с.

35. Дифракционные решетки в антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов волн (электрон ресурс]: учеб. пособие/В.И. Юдин, Ю.Г. Пастернак, A.B. Останков, К.Б. Меркулов. -Воронеж: ВГТУ, 2002. - 180 с. - 1 CD-ROM.

Статьи и материалы конференций

36. Особенности редуцирования граничных уравнений в задаче о многопазовой отражательной решетке с диэлектрическим слоем / АИ. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. 1 тсгернак, В.И. Юдин // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: меж-вуз. сб. науч. тр.-Воронеж: ВГТУ, 1997.-Вып. 4.-С. 140-147.

37. Анализ пространственных гармоник методом пазовых мод в задаче дифракции волн на отражательной решетке / А.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак,

Юдин // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1998. - Вып. 5. - С. 115-120.

38. Митрохин, В.Н. Собственные волны и критические сечения диэлектрического клина / В.Н. Митрохин, A.B. Останков, P.A. Пахомов // Синтез, передача и прием сигаалов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1998. - Вып. 5. -С. 121-128.

39. Частотно-угловая избирательность плоских устройств дифракционного типа на основе металлодиэлектрической двухуровневой гребенки / А.И. Климов, А.В Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж: ВГТУ, 1998. - Вып. 5. - С. 129-135.

40. Плоские устройства дифракционного типа с расширенной полосой ослабленнойугловой чувствительности / АИ. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В И Юдин// теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. - Воронеж: ВНИИС 1998 -Вып. 2. -С. 98-102.

41. Плоские дифракционные антенны для аппаратуры систем связи и локации СВЧ и КВЧ диапазонов / А.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин //

Вестник Воронежского института МВД России. - Воронеж: ВИ МВД России. 1999. -№2(4).-С. 47-51.

42. Сканирующая антенна для аппаратуры охраны КВЧ диапазона / Л.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Воронежского института МВД России. - Воронеж: ВИ МВД России, 1999.-Х» 2 (4).-С. 106-110.

43. Математическое моделирование дифракции плоских электромагнитных волн на многопазовых гребенках методом пазовых мод / А.И. Климов. К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1999. -С. 138-145.

44. Оценка адекватности моделирования дифракционных свойств многослойных металлодиэлектрических однопериодичных структур / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1999.-С. 146-152.

45. Синтез излучающей апертуры плоской дифракционной антенны по критерию угло-частотной зависимости главного лепестка диаграммы направленности / А.И. Климов, К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1999. - С. 153-157.

46. Численная оптимизация параметров двухэлементной ленточной решетки на экранированном слое диэлектрика для СВЧ антенны / А.И. Климов, К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин П Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж: ВГТУ, 1999,- Вып. 6,- С. 119-124.

47. Частотно-зависимые характеристики плоского устройства дифракционного типа на основе эшелетта / А.И. Климов, К.Б. Меркулов. A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж: ВГТУ, 1999. - Вып. 6. - С. 125-131.

48. Останков, A.B. Расчет комплексной постоянной распространения вытекающей волны в накрытой диэлектриком периодической гребенке / A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2001. - С. 23-31.

49. Возможность равноэффективного преобразования ортогонально-поляризованных волн в поверхностные при дифракции на эшелегге, накрытом диэлектриком / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. - Воронеж: ВГТУ. 2001.-Вып. 4.1.-С. 52-55.

50. Особенности дисперсионных характеристик металлодиэлектрических дифракционных решеток / А.И. Климов КБ. Меркулоа A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак. В.И. Юдин // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. -Воронеж: ВГТУ, 2001. - Вып. 4.1. - С. 56-59.

51. Математическое моделирование СВЧ - антенны с двумерно-периодичной дифракционной решеткой в качестве отражателя / К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк, В.И. Юдин // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2002. - Вып. 8. - С. 92-103.

52. Останков, A.B. Рассеивающие свойства группы канавок в бесконечном металлическом экране при наклонном облучении плоской волной / A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та Сер. Радиоэлектроника и системы связи. - Воронеж: ВГТУ. 2002. - Вып. 4.2. - С. 37-40.

53. Экспериментальное исследование дисперсионных характеристик волновод-но-щелевых антенн с внутренними импедансными стенками / К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. -Воронеж: ВГТУ, 2002. - Вып. 4.2. - С. 41 -43.

54. Математическое моделирование и экспериментальное исследование антенны трехсантиметрового диапазона волн с плоским дифракционным рефлектором / К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк, В.И. Юдин // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та Сер. Радиоэлектроника и системы связи. - Воронеж: ВГТУ, 2002. - Вып. 4.2. - С. 44-47.

55. Останков, A.B. Анализ дифракционных свойств решеток с некоординатной формой канавок с использованием трехуровневой гребенки [электрон, ресурс] / A.B. Останков, О.И. Шерстюк // Исследовано в России: электрон, многопредм. науч. журнал. - 2004.- 256.- С. 2757-2766.- URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/256.pdf.

56. Останков, A.B. Возбуждение металлодиэлектрической трехуровневой гребенки плоской электромагнитной волной / A.B. Останков // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. - Воронеж: ВГТУ, 2004. - Вып. 4.4.-С. 60-64.

57. Останков, A.B. Дифракция локальной плоской волны на отражательной квазипериодической решетке/ A.B. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета-2006.-Т. 2.-№ 1,-С. 101-104.

58. Приближенный метод решения краевых задач, основанный на эквивалентном переходе от исходной задачи к задачам пониженной размерности/А.И. Климов, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин, A.B. Останков // Направления развития систем и средств радиосвязи: сб. докл. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 1996. - Т. 1. - С. 282-290.

59. Экспериментальные исследования плоской антенны СВЧ с электронным управлением поляризацией излучения/ А.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак,

B.И. Юдин // Направления развития систем и средств радиосвязи: сб. докл науч -техн. конф.-Воронеж: ВГУ, I996.-T.3.-C. 1277-1279.

60. Численное исследование дифракции плоских электромагнитных волн на отражательных металлодиэлектрических решетках / А.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радио- и волоконно-оптическая связь, локация и навигация' сб. докл. науч.-техн. конф.-Воронеж: ВГУ, 1997.-Т. 1.-С.45-55.

61. Анализ рассеяния плоских электромагнитных волн отражательной металлической решеткой при регулярных нарушениях профиля / А.И. Климов А.В Останков, Ю.Г. Пастернак, Д.Г. Решетов, В.И. Юдин // Радио- и волоконно-оптическая связь, локация и навигация: сб. докл. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 1997 -Т I -

C. 129-134.

62. Углочастотная чувствительность плоских устройств дифракционного типа на базе металлодиэлектрических многоступенчатых гребенок / А.И. Климов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация и связь: сб. докл 1Умеждунар. науч.-техн. конф.-Воронеж: ВГУ, 1998.-Т.З.-С. 1855-1864.

63. Planar antenna devices of diffractional type with extended band of weakened angular sensitivity / A.l. Klimov, A.V. Ostankov, Yu.G. Pasternak, V. 1. Youdin // Proc оГ the XXVlll Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology - Moscow: J.S.C. "Radiophysics", 1998. - P. 416-419.

64. Ослабление угловой дисперсии поверхностных волн в плоских дифракционных антеннах на основе отражательных металлодиэлектрических гребенок / А В Ашихмин, АД. Виноградов, А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. V междунар науч -техн. конф. -Воронеж: ВГУ, 1999. -Т. 3. - С. 1764-1769.

65. Расчет потерь в материалах плоского входного устройства дифракционного типа на основе эшелетга / A.B. Ашихмин, А.Д. Виноградов, А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: со. докл. V междунар. науч.-техн. конф.-Воронеж: ВГУ, 1999.-Т.З.-С. 1770-1776

66. Способы возбуждения плоских СВЧ антенн с электрически управляемой поляризационной чувствительностью / A.B. Ашихмин, А.Д. Виноградов, А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, на-

вигация, связь: сб. докл. V междунар. науч.-техн. конф.-Воронеж: ВГУ, 1999,-Т. 3,-С. 1777-1784.

67. Плоская антенна на основе радиального волновода / A.B. Ашихмин. А.Д. Виноградов, А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. V междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж: ВГУ, 1999. - Т. 3. - С. 1785-1789.

68. Плоские антенны СВЧ диапазона с линейной поляризацией/A.B. Ашихмин, А.Д. Виноградов, А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. V междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж: ВГУ, 1999. - Т. 3. - С. 1790-1795.

69. Дифракция волн //-поляризации на координатной многослойной периодической структуре типа "решетка брусьев - диэлектрик - гребенка" / A.B. Останков. А.И. Климов, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин//Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. VI междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 2000, - Т. 3. - С. 2056-2066.

70. Частотная полоса преобразования падающей ЭМВ в поверхностную плоским устройством дифракционного типа на основе эшелетга / А.И. Климов. К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. VI междунар. науч.-техн. конф.-Воронеж: ВГУ. 2000.-Т.З.-С. 2067-2073.

71. Характеристики преобразования поверхностных волн в объемные с помощью координатных и некоординатных металлических решеток со слоем диэлектрика/А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк. В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. VII междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж: ВГУ, 2001. - Т. 1. - С. 464-472.

72. Идентификация железнодорожных составов и вагонов с помощью дифракционных датчиков КВЧ диапазона / А.И. Климов, К.Б. Меркулов, A.B. Останков. Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: сб. материалов XIII науч.-техн. конф. с участ. за-рубеж. спец. - М.: МГИЭМ, 2001. - С. 66-67.

73. СВЧ антенна с плоским дифракционным отражателем / К.Б. Меркулов. A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. О.И. Шерстюк, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. VIII междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 2002. - Т. 2. -С. 1285-1291.

74. Останков, A.B. Численный анализ вытекания поверхностной волны плоского диэлектрического волновода, экранированного периодической гребенкой / A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. VIII междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 2002.-Т. 2. - С. 1530-1535.

75. Останков, A.B. Дифракционная модель угло-частотного датчика электромагнитных волн на основе периодической металлодиэлектрической структуры / A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: сб. материалов XIV науч.-техн. конф. с участ. зарубеж. спец. - М.: МГИЭМ, 2002. - С. 50-51.

76. Останков, A.B. Рассеяние волнового пучка отражательной квазипериодичс-ской "гребенкой" с разноглубокими канавками/A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак. В.И. Юдин // Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. IX междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж: НПФ"САКВОЕЕ"ООО, 2003.-T.3.-C. 1949-1955.

77. Электродинамическое моделирование излучающего слоистого плоскопараллельного волновода с импедансными стенками / A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, О.И. Шерстюк, В.И. Юдин//Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. IX междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: НПФ "САКВОЕЕ" ООО, 2003. -Т. 3. - С. 1956-1963.

78. Останков, A.B. Оптимизация профиля плоского ребристого рефлектора в линейной зеркальной антенне / A.B. Останков // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: материалы всероссийской науч.-техн. конф. - Самара: СГАУ. 2004.-С. 29-30.

79. Останков, A.B. Взаимодействие электромагнитной волны и металлоребри-стого элемента антенной системы СВЧ диапазона и его анализ / A.B. Останков // Компьютерные технологии в технике и экономике: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: МИКТ, 2007. - Ч. 1. - С. 240-245.

80. Останков, A.B. Влияние экранирующего эффекта здания простейшей конфигурации на точность оценки положения источника радиоизлучения/ A.B. Останков, И.Е. Калинников // Физико-математическое моделирование систем: материалы IV междунар. семинара.-Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 45-49.

81. Останков, A.B. Моделирование волновых процессов при дифракции на ме-таллодиэлектрической решетке с произвольным законом размещения по длине вол-новодных полостей / A.B. Останков // Физико-математическое моделирование систем: материалы IV междунар. семинара.-Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 50-54.

82. Останков, A.B. Математическая модель дифракции волны на конечной ме-таллодиэлекгрической гребенке для проектирования антенн вытекающей волны / A.B. Останков // Физико-математическое моделирование систем: материалы V междунар семинара. - Воронеж: ВГТУ, 2008. - Ч. 2. - С. 81 -85.

83. Останков, A.B. СВЧ-антенна с плоским ребристым зеркалом и малой высотой подвеса облучателя / A.B. Останков // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: труды VI всероссийской науч.-практ. конф. (с участием стран СНГ). - Ульяновск: УлГТУ, 2009. - С. 144-147.

84. Останков, A.B. Дифракционные антенны вытекающей волны (регроспекти-ва) / A.B. Останков//Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: сб. тр. междунар. науч. конф.-Воронеж: МИКТ.2010.-Ч. 1.-С. 111-126.

85. Останков, A.B. Дифракционная антенна систем связи миллиметровых волн. Методика анализа / A.B. Останков // Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: сб. тр. междунар. науч. конф. - Воронеж: МИКТ 2010.-Ч. 1. - С. 127-134.

86. Останков, A.B. Дифракционная антенна систем связи миллиметровых волн. Методика синтеза / A.B. Останков // Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: сб. тр. междунар. науч. конф. - Воронеж: МИКТ 2010.-Ч. 1.-С. 135-141. ^^

87. Останков, A.B. Анализ и конструктивный синтез анггенны вытекающей волны на основе диэлектрического волновода, экранированного гребенкой / A.B. Останков, В.И. Юдин//Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. XVII междунар. науч.-техн. конф.-Воронеж: ВГУ, 20П.-Т.2.-С. 1607-1618.

Подписано в печать 23.09.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ

ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Используемые в тексте сокращения.

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния теории и техники антенн на основе открытых электродинамических структур.

1.1. Анализ возможностей и основных характеристик существующих плоских дифракционных антенн в контексте перспектив их развития и совершенствования.

1.2. Обзор методов анализа излучающих металлодиэлектрических структур.

1.3. Анализ возможностей и эффективности применения программных комплексов численного электродинамического моделирования для разработки антенн на основе открытых структур.

Выводы к главе

Глава 2. Математический аппарат для анализа антенн вытекающей волны, содержащих периодические гребенчатые структуры одноуровневого типа.

2.1. Принцип действия антенны, построенной на основе открытой линии, экранированной гребенчатой структурой, и физическая модель угло-частотной и поляризационной чувствительности антенны.

2.2. Постановка задачи анализа дифракционных антенн на основе периодических одноуровневых гребенок. Идеализация и ограничения для формализации решения. Методика электродинамического расчета характеристик антенны.

2.3. Формализация задачи пространственного преобразования волн накрытой слоем диэлектрика металлической одноуровневой гребенкой со сложной структурой периода и ее сведение к СЛАУ 1-го рода.

2.4. Сведение задачи преобразования волн металлодиэлектрической одноуровневой гребенкой со сложной структурой периода к СЛАУ 2-го рода.

2.5. Характеристическое уравнение открытой излучающей структуры с одноуровневой гребенкой и расчет на его основе комплексной постоянной распространения вытекающей волны.

Выводы к главе

Глава 3. Исследование и разработка антенн вытекающей волны на основе периодических гребенчатых структур одноуровневого типа

3.1. Теоретическое исследование характеристик антенн, содержащих периодические одноуровневые гребенки.

3.2. Экспериментальное исследование антенн вытекающей волны на основе простой гребенки (с одной канавкой на периоде).

3.3. Теоретическое и экспериментальное исследования антенны вытекающей волны на основе одноуровневой гребенки для работы с ортогонально поляризованными волнами.

3.4. Теоретическое и экспериментальное исследования антенн вытекающей волны, содержащих одноуровневые двумерно-периодические гребенки, для приема ортогонально поляризованных волн.

3.5. Теоретическое исследование гребенчатых структур для реализации антенн вытекающей волны с повышенной и ослабленной угловой чувствительностью

Выводы к главе

Глава 4. Анализ антенн вытекающей волны, содержащих периодические двухуровневые и трехуровневые гребенчатые структуры, и исследование их характеристик.

4.1. Формализация задачи анализа антенн вытекающей волны на основе периодических двухуровневых гребенок.

4.2. Анализ и параметрический синтез антенн вытекающей волны, содержащих периодические двухуровневые гребенки.

4.3. Математическая модель для анализа антенн вытекающей волны, содержащих трехуровневые и некоординатные периодические гребенчатые структуры

4.4. Результаты исследований характеристик антенн на основе многоуровневых и некоординатных периодических гребенок.

Выводы к главе

Глава 5. Электродинамические модели и исследование характеристик антенн вытекающей волны, содержащих периодические многослойные гребенчатые структуры.

5.1. Анализ антенн с полотном в виде периодической многослойной гребенчатой структуры типа "решетка щелей слой диэлектрика - гребенка".

5.2. Анализ и параметрический синтез инверсного и частных случаев общей конфигурации многослойной гребенчатой структуры для реализации антенн вытекающей волны.

5.3. Экспериментальное исследование характеристик антенн, содержащих многослойные периодические гребенчатые структуры

5.4. Исследование квазифрактальной двухдиапазонной антенны вытекающей волны.

Выводы к главе

Глава 6. Анализ и параметрический синтез антенн вытекающей волны, построенных на основе квазипериодических и неэквидистантных гребенок.

6.1. Электродинамическая модель для анализа антенн вытекающей волны, содержащих квазипериодические и неэквидистантные гребенки.

6.2. Теоретическое исследование характеристик излучения антенн вытекающей волны на основе квази- и периодических гребенок.

6.3. Дифракционная антенна вытекающей волны с нестандартной реализацией излучающего раскрыва.

6.4. Синтез антенного полотна с заданным направлением излучения и максимальной эффективностью.

6.5. Параметрический синтез антенны вытекающей волны, реализованной по интерферометрической схеме.

Выводы к главе

Глава 7. Анализ, параметрический синтез и разработка зеркальных антенн с плоским гребенчатым рефлектором.

7.1. Принцип работы и приближенная методика расчета исследуемого типа зеркальных антенн с плоским гребенчатым рефлектором. Требования к электродинамической модели антенны.

7.2. Формализация задачи электродинамического анализа зеркальной антенны с гребенчатым рефлектором. Дифракция локально-плоской волны на конечной ГС в экране.

7.3. Исследование особенностей формирования диаграмм рассеяния гребенчатого рефлектора в различных режимах возбуждения

7.4. Оптимизация характеристик зеркальной антенны в полосе частот и на фиксированной частоте.

7.5. Широкополосная антенна с плоским гребенчатым зеркалом и малой высотой подвеса облучателя.

7.6. Антенна на основе плоского двумерного гребенчатого рефлектора с управлением поляризацией излучения.

Выводы к главе

Актуальность проблемы. Последняя четверть ХХ-го века отмечена появлением нового направления в технике антенных решеток, связанного с использованием открытых излучающих линий передачи. Применение резонансной дифракционной решетки (с периодом, соизмеримым с длиной волны Хо), обеспечивающей эффект пространственного преобразования поверхностной волны линии в объемную (излучаемую) волну, позволило реализовать конструктивно простые и технологичные дифракционные антенны вытекающей волны. Обладая малой размерной глубиной и высоким КПД, подобные антенны нашли и находят применение в стационарных и мобильных радиоэлектронных комплексах двойного назначения. Электродинамическая структура, состоящая из планарного диэлектрического волновода и решетки, выполненной в виде отражательной металлической гребенки, может считаться одной из ключевых, поскольку изначально и сегодня широко используется в новых антеннах.

Интерес разработчиков к подобным антеннам на протяжении всего периода их развития не ослабевал, а в последнее время заметно обострился. Актуальность развития теории и техники плоских антенн дифракционного излучения обусловлена стремительным освоением коротковолновой части сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн в связи с решением проблемы электромагнитной совместимости и повышения пропускной способности радиоэлектронных средств. Поверхностный характер энергетических процессов и, как следствие, малые тепловые потери позволяют дифракционным антеннам успешно конкурировать в указанных диапазонах с высокотехнологичными полосковыми антеннами.

Значительный вклад в разработку и исследование антенн вытекающей волны, использующих явление преобразования поверхностных волн в объемные, внесли С.Д. Андренко, А.П. Евдокимов, В.В. Крыжановский, С.А. Провалов, Ю.Б. Сидоренко, А.Ф. Чаплин, С.А. Шило. Заметный вклад в развитие техники подобных антенн внесли С.Е. Банков, Д.И. Воскресенский, В.В. Гоб-лик, В.М. Голуб, В.И. Калиничев, А.И. Климов, В.А. Комяк, П.Н. Мележик, Ю.Г. Пастернак, Б.А. Пригода, А.Н. Сивов, В.И. Юдин, М. Ando, С.С. Chen, J.A. DeSanto, N. Goto, О. Kenji, I. Koichi, N. Kumagai, M. Matsumoto, T. Ohira, T. Rozzi, K. Sakurai, M. Tsutsumi и др.

Благодаря работам отечественных и зарубежных авторов большие успехи достигнуты в области технической реализации излучающего раскрыва антенн и способов его возбуждения, изучения особенностей формирования диаграммы направленности. Однако, несмотря на простоту конструкции классической дифракционной антенны, проблема реализации оптимальной геометрии ее раскрыва актуальна и по сей день. Связано это, прежде всего, с неизбежным проявлением разнообразных резонансных эффектов, сопровождающих взаимодействие поверхностной волны с гребенкой и существенно осложняющих исследование подобной антенны. Вместе с тем имеется возможность увеличения эффективности и улучшения характеристик направленности антенны при использовании модифицированной геометрии раскрыва, например, с профилированной квазипериодической гребенкой.

Отличительной особенностью антенн вытекающей волны является наличие угло-частотной дисперсии, которая может быть использована как положительное качество - для сканирования диаграммы направленности посредством изменения частоты излучаемого сигнала. Однако при необходимости работы с фиксированным угловым направлением на источник излучения дисперсия приводит к жесткому ограничению частотной полосы антенны. Одним из возможных способов коррекции угло-частотных зависимостей антенн, содержащих гребенчатые структуры, с целью добиться их частотной инвариантности является усложнение структуры периода за счет введения в гребенку дополнительных канавок и уровней вложенности, использование многослойных и неэквидистантных гребенок.

Антенны на основе гребенчатых структур, как правило, весьма чувствительны к типу поляризации принимаемой волны. Усложнение внутрипери-одной конфигурации одномерной гребенки, применение двухмерно-периодических структур с коммутацией волновых потоков может обеспечить требуемые степени свободы по управлению поляризационными характеристиками дифракционных антенн.

Одной из тенденций развития антенн СВЧ и КВЧ диапазонов является поиск альтернативы параболическим антеннам. Значительный вклад в разработку плоских отражательных антенных решеток внесли О.Г. Вендик, Г.А. Ерохин, А.О. Касьянов, В.А. Обуховец, М.Д. Парнес, Б.В. Сестрорецкий и др. Актуальным приложением гребенчатых структур является их использование в качестве рефлектора зеркальных антенн, что позволяет уменьшить высоту подвеса облучателя и минимизировать габариты антенны.

Разработка и оптимизация характеристик дифракционных антенн неразрывно связана с совершенствованием методологии их анализа и синтеза. Несмотря на бурное развитие систем электродинамического моделирования и проектирования антенн и СВЧ (КВЧ) устройств, точный анализ рассматриваемых антенн, характеризующихся большим электрическим объемом (порядка 50х50х2А-о и более), является весьма проблематичным. Действительно, л если антенну вытекающей волны с размерами раскрыва 50х50х2А,0 анализировать в 3-D электромагнитном симуляторе CST Microwave Studio, то для поо лучения достоверных результатов объем А,о следует разбить не менее чем на 50 элементарных "кубиков", каждый из которых (с учетом общности соседних) описывается 18-ю компонентами поля. Тогда матрица, с которой будет работать симулятор, должна включать свыше 10 млрд комплексных переменных. Очевидно, что необходимая для анализа установившегося процесса серия итераций с такой матрицей не может быть произведена в ограниченный разумными пределами интервал времени на компьютере рядового разработчика. В этой связи чрезвычайно актуальным является создание электродинамических моделей, учитывающих специфику открытых излучающих структур, наиболее полно отражающих основные процессы, в них происходящие, и одновременно позволяющих избежать трудностей вычислительного характера, которые возникают при использовании симуляторов.

Проблемам теории резонансных дифракционных структур, в том числе методологии их анализа, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Существенный вклад в ее развитие внесли JI.A. Вайнштейн, А.С. Ильинский, А.А. Кириленко, А.Г. Кюркчан, JI.H. Литвинен-ко, С.А. Масалов, Е.И. Нефедов, C.JI. Просвирнин, Ю.К. Сиренко, В.Г. Сологуб, В.П. Шестопалов, В.М. Шкиль и др. Вместе с тем, в теории дифракционных антенн сохраняется ряд нерешенных задач, связанных с: ♦ созданием простых и эффективных электродинамических моделей, адекватно описывающих в области резонансных частот пространственное преобразование класса электромагнитных волн многослойными металлодиэлектрическими гребенчатыми структурами с простой и сложной конфигурациями периода, конечного размера излучающего раскрыва, квазипериодического и неэквидистантного типов; ♦ параметрическим синтезом дифракционных антенн, использующих гребенчатые структуры простой и модифицированной конфигурации; ♦ разработкой эффективных дифракционных антенн с расширенной полосой частот, фиксированной ориентацией сектора направлений излучения, поляризационной инвариантностью.

Таким образом, в настоящее время актуальной является проблема разработки электродинамических моделей открытых излучающих гребенчатых структур модифицированных конфигураций, обеспечивающих в резонансном диапазоне частот достоверный анализ пространственного преобразования волн и синтез на этой основе перспективных оптимизированных конструкций дифракционных антенн при приемлемых для практики конструирования временных затратах и требованиях к вычислительным ресурсам.

Диссертация выполнена на кафедре радиотехники ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в рамках одного из научных направлений университета - "Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты информации".

Объектами исследования являются антенны вытекающей волны на основе планарного диэлектрического волновода, электродинамически связанного с гребенками различной конфигурации и типа: периодическими с простой и сложной структурами периода, квази- и непериодическими, многослойными; зеркальные антенны с гребенчатым рефлектором.

Предмет исследования - электродинамические модели для анализа и параметрического синтеза гребенчатых структур, предназначенных для реализации раскрыва высокоэффективных дифракционных антенн; методики их проектирования; параметры и конструкции дифракционных антенн, оптимизированных по заданному критерию.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных электродинамических моделей металлодиэлектрических гребенчатых структур различных, в том числе перспективных модифицированных, конфигураций, обеспечивающих достоверный анализ процессов пространственного преобразования класса волн в резонансной области частот, а также методик параметрического синтеза, оценки характеристик и создания образцов таких структур для реализации СВЧ и КВЧ антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы необходимо решить следующие задачи:

1) разработать электродинамические модели пространственного преобразования электромагнитных волн резонансных частот гребенчатыми ани тенными структурами, содержащими планарный диэлектрический волновод и металлические гребенки различных типов и разных морфологий периода;

2) разработать электродинамическую модель зеркальной антенны с плоским гребенчатым рефлектором, учитывающую произвольные размеры, характер размещения регулярных канавок и вид амплитудно-фазового распределения поля облучателя по апертуре устройства;

3) провести комплекс численных и экспериментальных исследований электродинамических характеристик антенных гребенчатых структур различных конфигураций в диапазоне резонансных частот и определить потенциальные возможности дифракционных антенн с повышенным уровнем требований к их электрическим характеристикам;

4) разработать методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов;

5) выявить конструктивные параметры структур для практической реализации эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения, а также зеркальных широко- и узкополосных антенн с плоским рефлектором и сниженными габаритными размерами;

6) создать базовые варианты конструкций дифракционных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач использованы методы скалярной теории дифракции электромагнитных волн, вычислительные методы электродинамики, элементы теории функций комплексного переменного, методы теории СВЧ цепей и антенных решеток, элементы теории радиосигналов, методы линейной алгебры, линейное программирование, генетические алгоритмы, стандартные методы натурных экспериментальных измерений характеристик СВЧ антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) разработан эффективный электродинамический метод анализа антенных одномерно-периодических гребенчатых структур координатного типа, существенно различающихся внутрипериодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), основанный на использовании методов частичных областей, разложения Фурье и развитой концепции "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами;

2) разработана электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической структурой, содержащей помимо гребенки щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, отличающаяся интегрированным учетом всех слоев одновременно, сниженной размерностью результирующей СЛАУ и позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва;

3) разработана новая электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с излучающим раскрывом, имитируемым накрытой планарным диэлектрическим волноводом двухмерной структурой в виде конечной совокупности размещенных в экране прямоугольных канавок, возбуждаемой заданной неоднородной волной; модель, позволяя учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок и отражение поверхностной волны от гребенки, отличается от аналогичной по строгости модели сниженными на порядок затратами времени и ориентирована на широкое использование оптимизационных алгоритмов;

4) предложен вариант метода анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанного на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн, отличающийся от известных использованием решения задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке с канавками произвольных размеров и характера размещения в раскрыве, независимостью размерности результирующей СЛАУ от степени сложности амплитудно-фазового распределения поля волны облучателя, что позволяет значительно снизить затраты времени на анализ и широко использовать методики параметрического синтеза;

5) получены новые научные данные об особенностях пространственного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций, позволившие выработать и апробировать рекомендации по применению и выявить конструктивные параметры структур для практической реализации антенн вытекающей волны, отличающихся: ♦ полной эффективностью 60 % и более; ♦ расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот при фиксированном направлении излучения; ♦ электронным управлением поляризацией излучения;

6) впервые установлено, что в режиме излучения вертикально поляризованной волны технически выгодный вариант реализации раскрыва антенны вытекающей волны, при котором зазор между диэлектрическим волноводом и гребенкой отсутствует, а оптимизация амплитудного распределения в рас-крыве достигается за счет вариации глубин канавок в направлении вытекания волны (глубинного профилирования гребенки), характеризуется полной эффективностью 75 % и более;

7) разработан метод синтеза излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде профилированной гребенчатой структуры по критерию максимальной эффективности в заданном направлении излучения при обеспечении заданного уровня боковых лепестков диаграммы направленности, основанный на использовании двухэтапной оптимизационной процедуры и эволюционирующего критерия, отличающийся учетом влияния гребенки на замедление волновода, краевых и резонансных эффектов, широтой набора искомых параметров и позволяющий достичь среднего значения эффективности до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ.

Новые научные результаты, полученные в диссертации, позволили решить научную проблему создания электродинамических моделей для достоверного анализа предельно-достижимых характеристик и параметрического синтеза перспективных дифракционных антенн с раскрывом в виде резонансных гребенчатых структур широкого круга модифицированных конфигураций, обеспечивающих приемлемые для практики проектирования временные затраты и требования к вычислительным ресурсам.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что на их основе:

- разработан вариант прикладного математического аппарата и создан практический комплекс алгоритмов по исследованию и оптимизации дифракционных антенн, построенных на основе металлодиэлектрических одно-и многослойных гребенчатых структур с простой и сложной конфигурациями периода, конечного размера, квазипериодического, неэквидистантного типа, классического вида с двойной периодичностью, позволяющий реализовать автоматизированные информационные системы проектирования подобных антенн на базе пользовательских компьютеров;

- созданы и апробированы методики проектирования дифракционных антенн на основе гребенчатых структур с оптимизированными по выбранным критериям характеристиками, позволяющие упростить процесс и сократить сроки разработки, улучшить технические и технологические параметры разрабатываемых антенных систем;

- разработаны базовые варианты конструкций антенн вытекающей волны с электронным управлением поляризацией излучения, расширенной полосой частот, зеркальной антенны со сниженными габаритными размерами.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, базируется на строгих и квазистрогих электродинамических подходах и принципах, корректных математических моделях дифракционных антенн, подтвержденных теоретическими и экспериментальными исследованиями, и в частных случаях согласованием с результатами, опубликованными в научной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ЗАО "ИРКОС" (г. Москва), ФГУП "НКТБ "Феррит" (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" и НОУ ВПО "Международный институт компьютерных технологий" (г. Воронеж).

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Метод электродинамического анализа антенных структур, содержащих планарный диэлектрический волновод и периодическую металлическую гребенку, использующий концепцию "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами. Распространение предложенного метода на анализ широкого круга плоских дифракционных антенн с модифицированной внут-рипериодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), с двухмерно-периодической гребенкой классического типа.

2. Электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической гребенчатой структурой, содержащей щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва.

3. Электродинамическая модель антенны вытекающей волны, основанная на строгом решении задачи возбуждения одномерной гребенки ограниченной длины заданной неоднородной волной планарного диэлектрического волновода, позволяющая учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок, отражение поверхностной волны от гребенки и обеспечить существенно лучшее качество анализа и синтеза по сравнению с моделями, опирающимися на теорию бесконечных периодических структур.

4. Метод анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанный на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн и решении задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке, применение которого позволило оптимизировать конструктивные параметры антенны, обосновать эффективность способа уменьшения толщины зеркала при снижении высоты подвеса облучателя в 2 - 3 раза.

5. Новые научные данные об особенностях пространственного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций и влиянии их геометрических параметров на электрические характеристики, позволившие выработать рекомендации по применению структур в качестве излучающего раскрыва эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения.

6. Методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов, использование которых позволило достичь значений эффективности излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде профилированной гребенчатой структуры в среднем до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ, минимизировать разницу направлений излучения волн ортогональных типов поляризации антенной с одномерной гребенкой и Г-образным профилем канавок.

7. Научно-обоснованные конструктивные особенности построения дифракционных антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, отличающихся улучшенными или специальными характеристиками: расширенной полосой ослабленной угло-частотной чувствительности, электронным управлением поляризацией излучения, сниженными габаритными размерами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции (НТК) "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1996), международной НТК "Радио- и волоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Воронеж, 1997), IV-IX и XVII международных НТК "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж,

1998-2003, 2011), XXVIII Московской международной конференции по теории и технике антенн (Москва, 1998), XIII и XIV НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Судак, 2001,2002), всероссийской НТК "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2004), международной НТК "Компьютерные технологии в технике и экономике" (Воронеж, 2007), IV и V международных семинарах "Физико-математическое моделирование систем" (Воронеж, 2007,2008), VI всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 2009), международной научной конференции "Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике" (Воронеж, 2010), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 1996-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в том числе 33 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 книги.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце диссертации, лично соискателю принадлежат: [1,2,36] - существо метода электродинамического анализа антенных одномерно-периодических гребенчатых структур, рекомендации по применению структур; [9,11,15,35,37,39,40,43,44, 48,52,55,60-64,69,74-77] - постановка задачи, электродинамические модели гребенчатых структур, исследования характеристик; [32,33,45,87] - методики конструктивного и параметрического синтеза излучающего раскрыва антенны и его численная реализация; [3,5,8,24,41,50,58,59,67,68,71] - электродинамическое моделирование гребенчатого раскрыва антенн; [7,46] - численная оптимизация раскрыва антенны; [4,10,53,54] - моделирование эксперимента, обработка экспериментальных данных и сопоставление с расчетными; [12, 47,49,70,80] - предложения по методике анализа характеристик структуры, обобщение результатов; [13,17,66,73] - расчет конструктивных параметров антенны; [14,51] - методика расчета параметров рефлектора антенны; [16,72] -моделирование и разработка конструкции устройства; [25] - анализ результатов моделирования антенны; [26] - участие в разработке конструкции антенны; [6,18,19,21,34,42, 65] - участие в решении дифракционной задачи, обсуждение результатов; [31,38] - обсуждение исследования.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 404 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 397 страницах, включает 191 рисунок и 15 таблиц.

Выводы к главе 7

1. Известная и применяемая на практике методика расчета зеркальной антенны с плоским гребенчатым рефлектором, обеспечивающей неизменное по положению в широкой полосе частот направление излучения за счет геометрической коррекции канавками разности хода отраженных лучей, вполне адекватно описывает основные процессы, определяющие принцип функционирования антенны. Однако этой методике присущ ряд недостатков и ограничений, связанных с невозможностью учета таких факторов, существенно влияющих на характеристики излучения, как дифракция на ламелях гребенки и раскрывах канавок, краевые эффекты, многомодовый характер поля в канавках, электродинамическая связь и взаимовлияние канавок, отличный от классического характер амплитудно-фазового распределения поля облучателя в раскрыве зеркала. Вне рамок методики остаются рекомендации по выбору важнейшего параметра гребенчатого рефлектора - ширины канавок. Таким образом, для анализа и параметрического синтеза рассмотренного типа зеркальных антенн необходима новая математическая модель, в которой бы имелась возможность учета указанных факторов и которая была бы лишена недостатков известных весьма сложных моделей, описанных в главе 1.

2. Для анализа и параметрического синтеза линейного варианта антенны с гребенчатым рефлектором и оптическим типом возбуждения в главе решена задача дифракции волны с отличным от плоского амплитудно-фазовым фронтом на ГС конечной длины с канавками разной глубины, размещенной в экране. В основу положено представление фронта первичной волны (волны облучателя) локально-плоским (кусочно-ломаным) фронтом в совокупности точек раскрыва ГС и электродинамический анализ рассеяния плоской волны с искусственно ограниченным в пространстве фронтом на рефлекторе. Последний реализован на основе метода частичных областей с использованием представления поля в свободном пространстве в виде непрерывного Фурье-спектра. Разработанная электродинамическая модель дифракции волны на конечной ГС с произвольным расположением и размерами вол-новодных канавок, обладая относительно малой размерностью и высокой степенью алгоритмизации, адекватно описывает волновые процессы как в ближней, так и в дальней зонах, и может быть использована не только для анализа антенны (в предположении заданной волны облучателя), но и для оптимизации амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве ГС, в том числе ГС неэквидистантного типа, и последующего синтеза оптимального облучателя.

3. Исследование особенностей формирования диаграмм рассеяния гребенчатого рефлектора в режимах облучения плоской (с искусственно ограниченным и неограниченным фронтами) и радиальной волн показало, что:

- модель дифракции локально-плоской волны на конечной ГС более достоверно описывает волновые процессы по сравнению со случаем рассеяния классической плоской волны, что дает основание рекомендовать модель для анализа характеристик ГС средней и малой длины как функциональных элементов антенных, СВЧ и оптических устройств;

- имеется возможность объединять несколько (периодических или/и непериодических) ГС в одну гибридную с сохранением излучающих свойств исходных структур, что позволяет с использованием единого раскрыва реализовать на фиксированной частоте (при отсутствии дифракционных лучей высшего порядка) многолучевую ДН либо скачкообразно изменять направление максимального излучения при переходе с одной частоты на соседнюю;

- при частичном (локальном) возбуждении протяженной ГС в формировании поля дифракции могут принимать участие непосредственно не "засвечиваемые" первичной волной, но электродинамически связанные по полю канавки, что дает дополнительную степень свободы по управлению полем излучения;

- реальные характеристики направленности зеркальной антенны существенно отличаются от аналогичных характеристик идеализированной решетки излучателей, особенно в высокочастотной области рабочего диапазона, что подтверждает необходимость оптимизации геометрии рефлектора.

4. Предложены и апробированы алгоритмы оптимизации излучающих свойств антенны с гребенчатым рефлектором как в полосе частот, так и на фиксированной частоте, использующие для анализа разработанную математическую модель. Для типового варианта конфигурации рефлектора выполнена оптимизация ширины канавок рефлектора по критерию минимума уровня наиболее значимых боковых лепестков ДН и максимального КНД в широкой полосе частот. Выяснено, что прореживание гребенчатого рефлектора, заключающееся в обнулении глубин канавок с неоптимальным поверхностным импедансом, приводит к весьма незначительному и узкополосному улучшению характеристик направленности. На фиксированной частоте оптимизирован профиль рефлектора антенны со сниженной высотой подвеса облучателя при условии ограничения максимальной глубины канавок заданной величиной. Установлено, что в 10%-й полосе частот угловая дисперсия ориентации главного лепестка ДН антенны (с полученным профилем зеркала) не превышает половины его ширины. Для широкополосного варианта конфигурации антенны выполнена численная оптимизация неэквидистантного рефлектора (за счет вариации шага), в результате которой на нижних и верхних частотах снизился УБЛ и увеличился КНД на нижних и средних частотах.

5. Показано, что крайне важное для практики снижение высоты подвеса облучателя антенны с широкополосной коррекцией фронта волны приводит к существенному увеличению максимальной глубины канавок рефлектора и его практической нереализуемости. Рассмотрены способы уменьшения глубины профиля зеркала за счет увеличения угла фазировки и использования диэлектрических вставок в наиболее глубоких канавках. Приведены расчетные характеристики предложенных вариантов реализации антенны с малой высотой подвеса облучателя. Установлено, что оба варианта являются широкополосными и могут быть использованы на практике. Уменьшение характерного размера антенны в 2.3 -2.8 раза достигается ценой двукратного снижения коэффициента усиления и увеличения УБЛ на 1 - 2 дБ. В случае отсутствия жестких ограничений на продольный размер зеркала и величину отклонения максимума ДН от нормали к рефлектору уменьшение глубины профиля зеркала целесообразно за счет увеличения угла фазировки, в противном случае - за счет частичного заполнения канавок диэлектриком.

6. Изложена приближенная методика прикладного расчета глубин канавок двумерно-периодического рефлектора, возбуждаемого сферической Е-поляризованной волной облучателя и корректирующего фазовый фронт волны на фиксированной частоте. Приведены расчетные характеристики предложенной зеркальной антенны с коррекцией фазового фронта волны облучателя двумерно-периодической ГС. Разработана конструкция антенны применительно к частотному диапазону 10 ГГц с зеркалом округлой формы диаметром 312 мм, содержащим 137 канавок ненулевой глубины, и облучателем в виде системы вибраторных антенн с круглым рефлектором, запитываемой че-тырехпроводной экранированной линией. Приведены результаты экспериментального исследования макета антенны, в частности, эффективность - 50% и выше, УБЛ - не более "минус" 15 дБ, полоса частот по КСВ - 10%. Указано, что простота моделирования антенны, сниженный габаритный размер в направлении нормали в совокупности с достаточно широкой полосой рабочих частот при 50 (ожидаемом 60) процентном уровне эффективности, наличие управления поляризацией излучения позволяют разработанной антенне конкурировать в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн с соответствующими аналогами, в том числе и с параболическими антеннами.