автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование схем частотного сканирования диаграммы направленности антенных решеток с постоянной частотой излучения

Экз. №

На правах рукописи

Малов Андрей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2006.

Работа выполнена в МОСКОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ИНСТИТУТЕ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ).

Научный руководитель член-корр. РАН, профессор,

Бахрах Лев Давидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сазонов Владимир Васильевич

кандидат технических наук, профессор Чистюхин Виктор Васильевич

Ведущая организация ФГУП ОКБ МЭИ, г. Москва

Защита диссертации состоится « 2006 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 850.012.01 при Государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ» по адресу: 124460, Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д. 4, ГУП НПЦ «СПУРТ».

С диссертацией мочено ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ». Автореферат разослан « Ж 2006 г.

Соискатель A.B. Малов

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент ^^ В.П. Мартынов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из перспективных направлений современной антенной техники является совершенствование способов сканирования диаграммой направленности (ДН) антенных решеток, в частности обеспечивающих возможность реализации широкоугольного сканирования.

Сканирование осуществляется с использованием как дискретных или аналоговых фазовращателей (фазовое сканирование), так и путем изменения частоты (частотное сканирование).

Реализация фазового сканирования в больших многоэлементных решетках требует большого количества сравнительно дорогих фазовращателей, что приводит к существенному увеличению массы и стоимости конструкции, а также усложняет управление. Кроме того, эффективные фазовращатели разработаны и освоены промышленностью не для всех представляющих интерес частотных диапазонов, по причине чего поиск альтернативных способов сканирования продолжает привлекать внимание разработчиков антенных решеток.

Способ частотного сканирования свободен от указанных недостатков, но в его традиционной реализации частота используется как управляющий параметр, что является ограничивающим фактором с точки зрения оптимального приема и помехозащищенности.

Поэтому разработка способов сканирования, обладающих достоинствами частотного способа и свободных от присущих ему ограничений, является практически важной задачей.

В работе исследованы различные модификации одного из таких способов сканирования ДН антенных решеток, в силу чего тема диссертации является актуальной. При этом амплитудно-фазовое распределение (ЛФР), удовлетворяющее техническим требованиям к характеристикам излучения, предполагается выбранным, и исследуется лишь оптимальный с точки зрения максимизации сектора сканирования и экономической целесообразности способ сканирования применительно к приемным антенным решеткам (АР).

Цель настоящей работы - исследование принципов и разработка схем реализации нового способа сканирования без использования фазовращателей и определение предельных возможностей этого способа в отношении обеспечения максимального сектора сканирования при минимальной ширине полосы используемых частот.

Задачи исследований

Поставленная цель достигнута решением следующих задач:

1. Проанализированы имеющиеся данные о секторах сканирования в различных канализирующих системах при частотном сканировании.

2. Разработаны принципы нелинейного сканирования и исследованы его возможности при последовательной зашггке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка).

3. Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования (максимальный сектор сканирования, соответствующие ему коэффициенты частотного перекрытия, максимальное количество излучателей в линейке) при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях.

4. Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

5. Получено экспериментальное подтверждение возможности реализации нелинейного сканирования применительно к одной из дисперсионных канализирующих систем.

Основные положения и результаты, представленные к защите

1. Новые принципы нелинейного сканирования для вариантов с последовательной запиткой линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, и при смешанной запитке линейки излучателей.

2. Физические и математические модели различных схем нелинейного сканирования и результаты модельных расчетов для варианта с пространственной запиткой эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве.

3. Результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов для варианта с параллельной запиткой и использованием линий задержки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

4. Экспериментальные результаты по нелинейному сканированию в приемной АР с дисперсионной канализирующей системой.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Разработаны новые принципы нелинейного сканирования в дисперсионных канализирующих системах, выполненных на основе полого, полностью или частично заполненного диэлектриком прямоугольного волновода и ребристой структуры для вариантов с последовательной и смешанной запиткой излучателей. Рассчитаны предельные секторы сканирования и соответствующие им коэффициенты частотного перекрытия для этих структур.

2. Впервые получено экспериментальное подтверждение возможности реализации нелинейного сканирования в волноводно-щелевой конструкции, выполненной на основе полого прямоугольного волновода.

3. Доказана возможность расширения предельного сектора сканирования для случаев пространственной запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, и параллельной запитки линеек излучателей и использования линий задержки, расположенных в недисперсионной системе. В последнем случае предложено конструктивное упрощение.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработанные принципы нелинейного сканирования применительно к дисперсионным канализирующим системам и варианту смешанной запитки вносят вклад в теорию сканирующих антенных решеток и существенно расширяют их функциональные возможности.

2. Результаты работы использованы при проведении работ по экспериментальной проверке нового способа фазирования приемной антенной решетки на двух секциях антенны Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1000. В результате удалось получить плавное сопровождение наблюдаемых радиоисточников на двух секциях радиотелескопа ДКР-1000 и повысить надежность управления диаграммой направленности за счет исключения коммутационных элементов. Практическая реализация примененного способа управления диаграммой направленности открывает перспективы создания новых приемных антенных решеток с его использованием.

3. Полученные результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов применительно к недисперсионным и дисперсионным канализирующим системам позволяют реализовать широкоугольное сканирование без использования фазовращателей с сохранением частоты излучаемого колебания применительно к большим многоэлементным АФАР, используемым в связных и иных системах, при существенном снижении массы конструкции и упрощении управления.

Достоверность и обоснованность

Достоверность и обоснованность основных научно-технических положений основывается на применении апробированного математического аппарата и совпадении полученных результатов в предельных случаях с опубликованными ранее.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на двух конференциях:

— 11-й Международная Крымская Микроволновая Конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" КрыМиКо' 2001 г., г. Севастополь;

— Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн". ИРЭМВ. 2001 г., г. Таганрог.

Внедрение результатов работы

Результаты исследований были использованы при проведении работ по экспериментальной проверке нового способа фазирования приемной антенной решетки на двух секциях антенны Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1000 в ПРАО АКЦ ФИАН г. Пущино, что подтверждается соответствующим актом.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ. Личный вклад автора

Личный вклад автора заключался в участии в постановке задач и развитии идеи нелинейного сканирования, разработке методов анализа различных дисперсионных структур, проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, определении дальнейших задач и перспектив нелинейного сканирования.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 47 наименований. Основное содержание изложено на 163 страницах текста, иллюстрированного 85 рисунками и 31 таблицами.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены положения, выносимые на защиту.

В 1997 году был предложен новый способ электрического сканирования, позволяющий реализовать качание луча без использования фазовращателей при неизменной частоте излучаемого колебания [1]. Суть предложенного способа состоит в суперпозиции волн от двух расположенных в разных точках пространства источников (генераторов), излучающих колебания с различными переменными частотами. При этом частоты обоих генераторов изменяются синхронно таким образом, чтобы их разность или сумма оставалась неизменной. Суммарное поле этих источников детектируется на нелинейных элементах, встроенных в излучатели. В результате иа выходе нелинейных элементов возникает достаточно сложное результирующее колебание, содержащее разность и сумму частот первичных источников. Одно из таких колебаний выделяется с помощью полосовых фильтров и излучается в свободное пространство посредством излучателей, настроенных на частоту выделенной комбинационной составляющей. Изменение фазового распределения вдоль линейки излучателей, необходимое дня реализации сканирования, создается за счет использования геометрических особенностей цепей запитки излучателей линейки. Далее новый способ для краткости будем называть нелинейным сканированием.

В первой главе дан краткий анализ основных способов электрического сканирования и имеющихся сведений о предельных секторах сканирования ^„ш и коэффициентах частотного перекрытия /т^/тж применительно к ряду канализирующих систем при частотном сканировании (таблица 1).

Таблица 1

Канализирующая система ,/тах^пмп

1. Прямоугольный полый волновод, в котором:

Излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по одну сторону от нейтрали 12.. .60 1,95

Излучатели расположены вдоль широкой стенки попеременно по разные стороны от нейтрали -85...14 1,96

2. Прямоугольный волновод, полностью заполненный диэлектриком, в котором:

Излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по одну сторону от нейтрали 13,3...85 1,96

Излучатели расположены вдоль широкой стенки попеременно по разные стороны от нейтрали -85...85 £1,96

3. Прямоугольный волновод с диэлектрической пластиной, расположенной вдоль узких стенок в плоскости симметрии, в котором:

Излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по одну сторону от нейтрали 10...85

Излучатели расположены вдоль широкой стенки попеременно по разные стороны от нейтрали -85.-85

4. Ребристая структура -85...85 <1,2

— в зависимости от диэлектрической проницаемости и толщины пластины.

Вторая глава посвящена развитию теории нелинейного сканирования, проведению модельных расчетов и исследованию предельных возможностей нелинейного сканирования при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях. В ней также исследуются предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

Нелинейное сканирование было реализовано первоначально для случая пространственной запитки эквидистантной линийки излучателей, расположенной в свободном пространстве. Была продемонстрирована возможность качания луча в угловом секторе (-3...3)" относительно нормали [2].

Во второй главе исследованы различные конфигурации, в которых варьировались взаимное расположение первичных источников и линейки излучателей, расстояния между соседними источниками, рабочие диапазоны и законы изменения частот первичных источников (постоянство разностной или суммарной частоты). Результаты исследований подтвердили возможность существенного расширения предельного сектора сканирования.

Из модельных расчетов следует, что при расположении первичных источников А и В вдоль линии, параллельной линейке излучателей (рис. 1) и следующих геометрических параметрах: расстоянии между источниками АВ=0,45 м; расстоянии от источников до

линейки АО=3 м, расстоянии между соседними излучателями ОС=СЕ>=...=ч*=0,15м, при постоянной частоте излучаемого колебания, соответствующей разности частот первичных источников /)=Уд=2 ГГц, сектор сканирования составит -(2...39)°. Для перекрытия указанного сектора требуется изменение частот и /2 соответственно в диапазонах ./¡=(10,1...2,1) ГГц и/2=(8,1..-0,1) ГГц (коэффициенты частотного перекрытия составят 4,8 и 81).

О С О Е

V V V V V V

• •

А В

Рис. 1. Один из вариантов конфигурации, предлагаемой для реализации нелинейного сканирования.

Нелинейное сканирование в случае пространственной запитки линейки излучателей, расположенной в свободном пространстве, имеет тот недостаток, что не позволяет использовать большие многоэлементные линейки. Это связано, прежде всего, с невозможностью создания линейного набега фазы вдоль линейки излучателей, что приводит к быстрому нарастанию фазовой ошибки с увеличением количества излучателей. Так в приведенном примере фазовая ошибка не превысит л при использовании линейки, состоящей не более чем из 7 излучателей.

Одним из путей преодоления этой проблемы может быть расположение излучателей не вдоль прямой линии, а по параболе (в соответствии с законом изменения набега фазы вдоль линейки), но этот вопрос требует дополнительной серьезной проработки.

Во второй главе исследованы также возможности нелинейного сканирования применительно к эквидистантным линейкам излучателей, расположенным в недисперсионной канализирующей системе при различных схемах запитки.

В 2004 году японскими исследователями [3] была предложена и практически апробирована следующая схема реализации нелинейного сканирования: колебания первичных генераторов Г[ и Гг через коаксиально-микрополосковые переходы с одной стороны (односторонняя запитка) подавались на микрополосковую плату и поступали на каждый из смесителей, связанных с соответствующим излучателем эквидистантной

лннейки. Расстояние между соседними излучателями было выбрано равным половине длины волны излучаемого колебания.

Запитка излучателей от генератора Г] была реализована по параллельной схеме с использованием линий задержки. Причем в цепи запитки каждого последующего излучателя длина линии задержки увеличивалась на величину, равную удвоенной эффективной длине волны на средней частоте рабочего диапазона генератора Г|, что обеспечивало линейный набег фазы вдоль линейки. От генератора Гз излучатели линейки запихивались синфазно по параллельной схеме.

Частоты генераторов изменялись синхронно таким образом, чтобы их разность оставалась неизменной, при этом излучатели бьши настроены на разностную частоту.

При реализации сканирования по рассматриваемой схеме качание луча осуществляется за счет использования линий задержки, а угол отклонения луча от нормали может быть определен из выражения

(1)

/¡о

где/\ и/о - текущая и средняя частота рабочего диапазона генератора П соответственно.

В [2] исследовалась линейка, состоящая из 4 излучателей, расположенных на поликоровой подложке толщиной 0,0254 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 9,8. Рабочие диапазоны частот генераторов Г] и Гг составляли /¡=(22...26) ГТц;^5=(2...6) ГГц соответственно. При этом было реализовано сканирование в секторе (-20...20)°.

Во второй главе были проведены модельные расчеты, результаты которых позволяют сделать следующие выводы:

1. Сектор сканирования может быть расширен путем тщательного подбора рабочих диапазонов генераторов Г1 и Гг, длин линий задержки, а также параметров микрополосковой платы. Так, например, при использовании поликоровой подложки толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 9,8, разности электрических длин двух соседних линий задержки /=46,8 мм, рабочем диапазоне частот генератора Г1 ./¡=(4..-6) ГГц сектор сканирования составит (-53...53)°. Теоретически возможно перекрытие и больших секторов, вплоть до полного сектора сканирования, но это сопряжено с поиском и использованием специальных излучателей.

2. Использование запитки микрополосковой платы колебаниями первичных генераторов с противоположных сторон (двухсторонняя запитка), позволяет несколько упростить конструкцию, не уменьшая сектора сканирования, так как в этом случае

исключаются требующие использования проволочных перемычек-мостов пересечения цепей запнтки излучателей частотами/1 н/2.

3. Возможна реализация широкоугольного нелинейного сканирования при работе на суммарной частоте. При этом должна быть несколько видоизменена топология микрополосковой платы, а излучатели должны быть настроены на суммарную частоту.

Таким образом, в отличие от варианта пространственной запнтки линейки излучателей, расположенной в свободном пространстве, в данном случае практически нет ограничений на количество излучателей в линейке. Кроме того, широкоугольное сканирование может быть реализовано при существенно меньших коэффициентах частотного перекрытия. Такой вариант нелинейного сканирования связан с некоторым усложнением конструкции и возрастанием ее стоимости, что определяется необходимостью соблюдения высокой точности при создании топологии микрополосковой платы, применением сложных дорогостоящих смесителей, специальных излучателей и т. д.

Модельные расчеты показали, что нелинейное сканирование может быть реализовано для ряда конфигураций и в случае последовательной запитки линейки излучателей, расположенной в недисперсионной канализирующей системе. Однако в связи с тем, что для широкоугольного сканирования требуются очень большие диапазоны изменения частот первичных генераторов (изменения частот в десятки раз) подобные системы вряд ли найдут широкое применение.

Третья глава посвящена разработке принципов нелинейного сканирования и исследованию его возможностей при последовательной запитке линейки излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при смешанной запитке излучателей линейки. В этой части приведены также результаты экспериментальных исследований по подтверждению возможности реализации нелинейного сканирования.

В разделе 3.1 решалась задача разработки общих принципов нелинейного сканирования для дисперсионных структур.

Наиболее подробно проанализированы возможности нелинейного сканирования при последовательной запитке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах (прямоугольный полый волновод, волноводы, полностью и частично заполненные диэлектриком, ребристая структура).

Суть нелинейного сканирования, как и в рассмотренных случаях, состоит в суперпозиции волн от двух расположенных в разных точках генераторов, излучающих колебания с различными переменными, синхронно изменяющимися частотами;

детектировании суммарного поля на нелинейных элементах, встроенных в излучатели и излучении выделенной комбинационной составляющей в свободное пространство. Изменение фазового распределения вдоль линейки излучателей, необходимое для реализации сканирования, создается, однако не за счет особенностей цепей запитки излучателей линейки, а путем использования дисперсии (различия фазовых скоростей волн разных частот, распространяющихся по дисперсионной системе).

В разделе 3.2 исследованы предельные секторы сканирования и соответствующие им коэффициенты частотного перекрытия применительно к волноводно-щелевым конструкциям, выполненным на основе полого прямоугольного волновода, при расположении щелей вдоль широкой стенки, для различных конфигураций (эквидистантное расположение щелей по одну сторону от нейтрали и их попеременное размещение по разные стороны от нейтрали; односторонняя или двухсторонняя запитка волновода, работа на разностной и суммарной частоте).

Получены следующие основные результаты: ¡.Оптимальными с точки зрения максимизации сектора сканирования являются вариант односторонней запитки волновода при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали и работе на разностной частоте и вариант двухсторонней запитки волновода при работе на суммарной частоте.

При односторонней запитке волновода при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали и работе на разностной частоте угол отклонения луча от нормали можно определить из выражения:

58П (2)

/д

'= " к0ЭФФициент замедления фазовой скорости; и /г - частоты

первичных генераторов; /&-/\-/г=согчЛ - частота излучаемого колебания; с1 - расстояние между произвольными соседними излучателями; а — размер широкой стенки; с - скорость света.

С учетом системы ограничений на частоты/| и/; и расстояния между соседними излучателями Ы

1,96а " " а

1,9ба а

при ¿/=Дд/2 и_/^<</1 имаксимальный сектор сканирования может составить (10...85)® с коэффициентами частотного перекрытия, незначительно превышающими -Л.

Одним из путей расширения сектора сканирования является уменьшение расстояния между соседними излучателями. Так, например, при с/=Лд/4,5 теоретически может быть перекрыт сектор (-85...85)°. Однако при столь малых расстояниях <1 следует учитывать существенную взаимосвязь между соседними излучателями. При этом невозможно использовать в качестве излучателей резонансные щели и требуются специальные малогабаритные излучатели.

При двухсторонней запитке волновода при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали и работе на суммарной частоте угол отклонения луча от нормали можно определить из выражения:

(3)

Л

В этом случае приД=2,96с/1,96о можно добиться перекрытия сектора (-30,4...30,4)° при коэффициентах частотного перекрытия, не превышающих 1,96.

При двухсторонней запитке волновода при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали и работе на суммарной частоте угол отклонения луча от нормали можно определить из выражения:

еш (4)

Л

В этом случае при Д=2,9бс/1,96<я и ск=&У2 максимальный сектор сканирования может составить (-85...0,3)° при коэффициентах частотного перекрытия, не превышающих 1,96.

2. При работе на разностной частоте невозможна реализация нелинейного сканирования при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали и при односторонней запитке волновода, и при его запитке с противоположных сторон.

3. При двухсторонней запитке волновода при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали и работе на разностной частоте выражение для угла отклонения луча от нормали примет вид

зт<р=/1Г,+/гГ2--—. (5)

/д

В этом случае при и ¿=Лд/2 удается перекрыть максимальный сектор

(70...85)°. Расширение сектора сопряжено с существенным уменьшением расстояния между соседними излучателями. Поэтому подобная конфигурация вряд ли получит распространение в целях нелинейного сканирования.

4. При односторонней запитке волновода и работе на суммарной частоте угол отклонения луча от нормали может быть найден из выражений

Л

5т <р = £Ь±1*Г2-. Л

с

(6) (7)

соответственно при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали и при их попеременном расположении по разные стороны от нейтрали.

Подобные конфигурации имеют ограниченное применение из-за невозможности реализации широкоугольного качания луча. Так при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали можно добиться отклонения луча не более чем на 8,4", а при их попеременном расположении по разные стороны от нейтрали — не более чем на 6Д°.

Разделы 3.3 и 3.4 посвящены исследованию влияния полного и частичного заполнения прямоугольного волновода диэлектриком на предельные секторы сканирования н соответствующие им коэффициенты частотного перекрытия для различных конфигураций.

Получены следующие основные результаты:

1. Обладая большей дисперсией по сравнению с полым прямоугольным волноводом, подобные структуры позволяют реализовать сканирование в требуемом секторе при меньших значениях коэффициентов частотного перекрытия.

2. Наибольший сектор сканирования может быть перекрыт при варианте двухсторонней запитки волновода при работе на суммарной частоте.

В этом случае угол отклонения луча от нормали может быть найден из выражений

51п<г> = -

этр =

4 г \ ( с V Мг)

А

-Л ь- J

Л

с

(8)

(9)

соответственно при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали и при их попеременном расположении по разные стороны от нейтрали.

Согласно (8) и (9) и проведенным модельным расчетам при вариациях сечения волновода а, относительной диэлектрической проницаемости материала-заполнителя с,, расстояния между соседними излучателями </, учитывая ограничения, накладываемые на/¡, /2 и (1, максимальный сектор сканирования составит (-85...85)° как при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали, так и при их попеременном расположении по разные стороны от нейтрали.

З.При работе на разностной частоте при односторонней запитке волновода и попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали угол отклонения луча от нормали может быть найден из выражения

Согласно (9) и проведенным модельным расчетам при вариациях сечения волновода а, относительной диэлектрической проницаемости материала-заполнителя е, и расстояния между соседними излучателями <1, максимальный сектор сканирования будет несколько уже, чем в случае использования полого прямоугольного волновода, и при ¿=АцД составит (12,3...85)° при коэффициентах частотного перекрытия -1,69.

4. При работе на разностной частоте невозможна реализация нелинейного сканирования при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали как при односторонней, так и при двухсторонней запитке волновода.

5. При работе на разностной частоте с двухсторонней запиткой волновода и попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали возможна реализация нелинейного сканирования в узком секторе и только при использовании специальных малогабаритных нещелевых излучателей.

6. При односторонней запитке волновода и работе на суммарной частоте нелинейное сканирование может быть реализовано в следующих максимальных секторах: при эквидистантном расположении излучателей по одну сторону от нейтрали - (57...85)° при

£=1,8 и коэффициентах частотного перекрытия 1,48 и 1,33; при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали - (46,7...85)° при £1=4,05 и тех же значениях коэффициентов частотного перекрытия.

(Ю)

7. По сравнению с конструкциями на основе полого прямоугольного волновода варианты конструкций, выполненные на основе прямоугольных волноводов, полностью заполненных диэлектриком, характеризуются большими потерями и весом.

В работе проведены модельные расчеты и исследованы предельные секторы сканирования для ряда во лиово дно-щелевых структур, выполненных на основе прямоугольного волновода, частично заполненного диэлектриком: при расположении одной диэлектрической пластины параллельно узким стенкам в плоскости симметрии, при использовании одной и двух диэлектрических пластин, расположенных вдоль узких стенок.

Из полученных результатов следует, что наиболее перспективной с точки зрения нелинейного сканирования является конструкция, выполненная на основе прямоугольного волновода с тонкой диэлектрической пластиной, расположенной параллельно узким стенкам в плоскости симметрия, с высоким значением е,. Ее использование позволяет расширить рабочую полосу частот, свободную от высших типов колебаний, за счет смещения критической частоты в более низкочастотную область, что позволяет для ряда конфигураций расширить максимальный сектор сканирования. Так, например, при односторонней зашггке волновода при работе на разностной частоте и попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали при тщательном подборе параметров волноводной конструкции максимальный сектор сканирования составит (10...85)°. Кроме того, рассматриваемая структура обладает значительно меньшими потерями по сравнению с полностью заполненными диэлектриком волноводами.

В разделе 3.5 проведены также модельные расчеты и исследованы предельные секторы сканирования для конструкций, выполненных на основе ребристых структур. Интерес к подобным структурам связан с возможностью варьирования в широких пределах дисперсии и рабочей полосы частот.

Из полученных результатов следует: 1. Угол отклонения луча от нормали может быть рассчитан по методике, аналогичной случаю полого прямоугольного волновода с учетом коэффициента замедления фазовой скорости

где И - глубина канавки; в, - коэффициент преломления среды, заполняющей канавки.

2. В отличие от волноводных систем, использование ребристых структур позволяет реализовать широкоугольное нелинейное сканирование (вплоть до перекрытия практически полного сектора сканирования) при различных конфигурациях, в частности,

1

(П)

при односторонней залитке ребристой структуры и работе на разностной частоте без создания дополнительного фазового набега между соседними излучателями и существенно меньших коэффициентах частотного перекрытия.

3. Особенностью нелинейного сканирования при использовании ребристых структур является наличие нескольких рабочих диапазонов частот, в пределах которых может быть осуществлено качание луча в определенном угловом секторе.

4. Схемы с использованием ребристых структур имеют существенно большие, по сравнению с рассмотренными выше волноводными структурами, потери.

Раздел З.б посвящен краткому анализу возможностей нелинейного сканирования для змейковых волноводов и волноводов сложных сечений (П- и Н-волноводов).

В разделе 3.7 проведены модельные расчеты и исследованы предельные секторы сканирования при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка). Были проанализированы два варианта:

1. Воляоводно-коаксиальная запитка, при которой нелинейные элементы (диоды), встроенные в излучатели (щели) эквидистантной линейки, через волновод запитываются по последовательной схеме от одного из первичных генераторов. СВЧ-мощность от другого первичного генератора подводятся к нелинейным элементам по коаксиальной линии.

2. Волноводно-волноводная запитка, при которой СВЧ-мощности от первичных генераторов подводятся по последовательной схеме к нелинейным элементам посредством использования волноводов разных сечений.

Основные результаты моделирования сводятся к следующему:

1.При волноводно-коаксиальной запитке, как правило, не удается добиться существенного расширения максимальных секторов сканирования, однако появляется возможность реализации нелинейного сканирования при работе на разностной частоте и расположении излучателей по одну сторону от нейтрали. Подобная конструкция может найти применение для целей нелинейного сканирования при решении задач, в которых используются значительно отличающиеся рабочие диапазоны частот первичных генераторов, один из которых является запредельным для волновода.

2. Вариант волноводно-волноводной запинки по последовательной схеме не представляет практического интереса, так как в этой схеме нелинейное сканирование реализуется в более узких секторах по сравнению с рассмотренными выше структурами.

Раздел 3.8 посвящен экспериментальным исследованиям возможности реализации нелинейного сканирования.

Для проверки правильности теоретических принципов были проведены экспериментальные исследования нелинейного сканирования в антенной решетке с дисперсионной канализирующей системой.

Конструкция исследованного устройства представляла собой прямоугольный полый волновод сечением 28,5x12,6 мм с б щелями, прорезанными вдоль широкой стенки попеременно по разные стороны от нейтрали (рис. 2), запихиваемый СВЧ-мощностями двух генераторов Г] (Г4-83) и Г2 (Г4-82). Длина каждой щели составляла /щ=10 см, а ширина Ьш=5 мм. Расстояние между произвольными соседними щелями (проекциями их геометрических центров на нейтраль) ¿=12,5 см, а от щелей до нейтрали - 3,5 мм. В середину каждой из щелей были впаяны нелинейные элементы - детекторные СВЧ-диоды ЗА206А-6. Поскольку ширина щели больше соответствующего размера используемых диодов, в каждой щели были предусмотрены контактные металлические площадки размером 7x5 мм (рис. 3).

А

*В>.5:

4 2 41« 1«- 4-»

1п

5 1 <- 89Я ->

А-А 14,

Ж

В-В

Рис.2. Конструкция щелевого волновода

{

и-* К

. 7 .

Рис. 3. Щель с впаянным СВЧ-диодом 1 — волновод; 2 - щель; 3 - контактные площадки; 4 — диод

Колебания генератора Г] мощностью />1=15 мВт, и Гг мощностью Рг=9 мВт, с переменными частотами/¡=(9...7,5) ГГц и^=(7,5.,,6) ГГц, изменяющимися таким образом, чтобы их разность /1-/2=1,5 ГТц оставалась неизменной, через коаксиально-волноводные переходы (КВП1 и КВП2) и вентили (В1 и В2) запитывали с одной стороны волновод (Вол) (рис. 4). Возникающий в результате нелинейных преобразований сигнал с разностной частотой ./4=1,5 ГГц, излучаемый в свободное пространство, улавливался приемной антенной, а затем регистрировался с помощью спектрального анализатора (СА). Угол отклонения луча определялся по максимуму показаний анализатора спектра при поворотах антенны.

Рис.4. Схема эксперимента

При синхронном изменении частот генераторов в диапазоне 9...7,5 ГГц (Г|) и 7,5...6 ГТц (Гг) сектор сканирования составил (31...57)° относительно нормали, что согласуется с теоретическими расчетами.

Представленная схема обладает следующими достоинствами: —простотой конструкции (для реализации нелинейного сканирования требуются лишь два генератора, дисперсионная среда (волновод), простейшие нелинейные элементы — диоды и щели в качестве излучателей);

— возможностью использования щелевого волновода в качестве фильтра (частота излучаемого колебания ,/д является запредельной для волновода, следовательно, колебание с этой частотой не будет распространяться по волноводу; так как длина щели является резонансной для составляющей с частотой /ь (/щ=Лд/2), мощность излучения составляющих с частотами, для которых щель не является резонансной, будет значительно ниже).

Эксперимент показал также, что наряду с полезной разностной частотой в спектре излучения присутствуют и составляющие с другими частотами. При этом мощность полезного излучаемого колебания была существенно меньше значений Р\ и Рг- Это может быть объяснено тем, что, во-первых, щелевой волновод и диод являются сложно согласуемой системой. Во-вторых, расположение диодов в центре щелей может бьггь не

оптимальным с точки зрения наличия в этих местах максимальных амплитуд колебаний с частотами/) к/ъ

Для увеличения мощности полезного колебания с разностной частотой, в качестве нелинейных элементов следует использовать не просто диоды, а смесители с усилителем мощности, аналогичные описанным в статье японских авторов. Это приведет к некоторому усложнению конструкции и повышению ее стоимости, но позволит повысить КПД до приемлемых значений.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы имеющиеся данные о секторах сканирования в различных канализирующих системах при частотном сканировании, а также предложены новые принципы нелинейного сканирования и исследованы его возможности. Исследованы разные схемы нелинейного сканирования - при последовательной запитке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка).

2. Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования (максимальный сектор сканирования, соответствующие ему коэффициенты частотного перекрытия, максимальное количество излучателей в линейке) при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных различным образом в свободном пространстве.

3. Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

4. Получено экспериментальное подтверждение возможности реализации нелинейного сканирования на примере одной из дисперсионных канализирующих систем.

5. Результаты теоретических исследований и модельных расчетов использованы при проведении работ по экспериментальной проверке нового способа фазирования приемной антенной решетки на двух секциях антенны Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1 ООО.

6. Определены перспективы дальнейшего развития нелинейного сканирования:

- разработка эффективных излучателей и оптимизация конструкции (определение точного местоположения нелинейных элементов относительного геометрического центра щели, расчет смесителей и усилителя мощности и т. д.) с целью повышения КПД;

- анализ перспектив нелинейного сканирования в схемах с параллельной запиткой линейки излучателей и использованием волноводов различных длин и сечений, при котором качание луча реализуется как за счет дисперсии, так и за счет особенности систем запитки;

- проведение теоретических расчетов и практическая реализация двумерного сканирования в больших многоэлементных антенных решетках.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бахрах Л.Д., Малов A.B. Некоторые вопросы частотного сканирования. М., Антенны, 2001 г., №2.

2. Бахрах Л.Д., Лось В.Ф., Малов A.B., Шаманов А.Н. Частотные свойства излучателей и антенн. Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн". ИРЭМВ. Таганрог, 2001 г.

3. Бахрах Л.Д., Андрианов В.И., Лось В.Ф., Макаров А.Ю., Малов A.B. Нелинейное сканирование на основе использования двух частот. 11-я Международная Крымская Микроволновая Конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии". КрыМиКо'. Севастополь, 2001 г.

4. Малов A.B. Некоторые возможности двухчастотного сканирования. М., Антенны, 2001 г., №9.

5. Бахрах Л.Д., Малов A.B. Некоторые закономерности двухчастотного сканирования для волноводно-щелевых антенн, выполненных на основе прямоугольных волноводов, частично заполненных диэлектриком. М., Антенны, 2002 г.

6. Бахрах Л.Д., Малов A.B., Макаров А.Ю. Частотное сканирование с помощью двух генераторов с переменными частотами при постоянстве частоты излучения, реализуемое в многощелевой антенне с частично заполненными волноводами. 12-я Международная Крымская Микроволновая Конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии". КрыМиКо'. Севастополь, 2002 г.

7. Бахрах Л .Д., Верба B.C., Костромин В.И., Кутузов С.М., Малов A.B., Степаненко С.М. "О развитии эксперимента по частотному управлению диаграммой направленности линии Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1000". М. Антенны, 2006, № 7.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ

1. Бахрах Л. Д. и др. Новый способ управления диаграммой направленности приемной фазируемой антенной решетки. XXVII радиоастрономическая конференция, т.З, Санкт-Петербург, 1997.

2. Азаренко Ю.И. и др. Экспериментальная проверка нового способа фазирования приемной антенной решетки на двух секциях антенны В-3 радиотелескопа ДКР-1000.

3. Т. Nishio, Y. Wang, Т. Itoh. A frequency-controlled beam-steering array with mixing frequency compensation for multichannel applications. IEEE Trans, Antennas Propagat., vol. , 2004.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 20.10.06 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,38 Печать авторефератов (495) 730-47-74, 778-45-60

ВВЕДЕНИЕ.

1 КРАТКИЙ АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ.

12. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

12. ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ В РЕШЕТКАХ.

13. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВОГО СКАНИРОВАНИЯ.

1.4 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

1.42. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕН1ЮСТИ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

1.4 2 . СПЕЦИФИКА ВЫБОРА КАНАЛИЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.

1.4 3. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕБРИСТЫМ СТРУКТУРАМ.

1.4.4. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЩЕЛЕВЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ПОЛЫМ ВОЛНОВОДАМ.

1.4 5. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЩЕЛЕВЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ВОЛНОВОДАМ,ПОЛНОСТЬЮ

ЗАПОЛНЕННЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ.

1.4 £. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗЛИЧНЫМ КОНФИГУРАЦИЯМ ЩЕЛЕВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ

ВОЛНОВОДОВ,ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОМ.

1.4 £ 2 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ РАСПОЛОЖЕННОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО УЗКИМ СТЕНКАМ В

ПЛОСКОСТИ СИММЕТРИИ.

1.4 £ 2 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ДВУМЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ РАСПОЛОЖЕННЫМИ СИММЕТРИЧНО ОКОЛО

УЗКИХ СТЕНОК.

1.4 £ 3 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ОДНОЙ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ ОКОЛО УЗКОЙ СТЕПКИ.

1.4.7. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО

СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗМЕЙКОВЫМ ВОЛНОВОДАМ.

1.4 Я. СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ

СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ.

1.4 9. СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СЛАБО

ДИСПЕРСИОННЫМ И НЕДИСПЕРСИОННЫМ СТРУКТУРАМ.

15. ВЫВОДЫ.

2 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО

СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР.

22. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ

НЕДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР.

2 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СХЕМ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.£

2 3 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИНИЙ

ЗАДЕРЖКИ.

2.4. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

25. ВЫВОДЫ.

3 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР.ill

32. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ

СТРУКТУР.

3 2 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-{ЦЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ

ПОЛОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА.

3 2 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ С СОХРАНЕНИЕМ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ.

3 2 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ С СОХРАНЕНИЕМ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ.

3 3 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА,ПОЛНОСТЬЮ ЗАПОЛНЕННОГО ДИЭЛЕКТРИКОМ. 249 3.4. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙ1ЮГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО -ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ

ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА,ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННОГО ДИЭЛЕКТРИКОМ.

3 .4 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ РАСПОЛОЖЕННОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО

УЗКИМ СТЕНКАМ В ПЛОСКОСТИ СИММЕТРИИ.

3 .4 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ДВУМЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ ВДОЛЬ УЗКИХ СТЕНОК .272 3.4 3. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ОДНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ ОКОЛО УЗКОЙ СТЕНКИ.

3 5. СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗМЕЙКОВЫМ

ВОЛНОВОДАМ И ВОЛНОВОДАМ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ.

3 £. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕБРИСТЫМ СТРУКТУРАМ.

3.7. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО

СКАНИРОВАНИЯ ПРИ СМЕШАННОЙ ЗАПИТКЕ ЭКВИДИСТАНТНОЙ ЛИНЕЙКИ

ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

3.71. ВОЗМОЖНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ВОЛНОВОДНО

КОАКСИАЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ.

3.7 2. ВОЗМОЖНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ВОЛНОВОДНО

ВОЛНОВОДНОЙ ЗАПИТКЕ.

3 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ.

3 Э ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ В ПРИЕМНЫХ

СИСТЕМАХ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА.

310 ВЫВОДЫ.

Решение целого ряда важных задач обнаружения объектов в сложной электромагнитной обстановке немыслимо без электрического управления диаграммой направленности (ДН) в максимально возможном секторе углов, что может быть удовлетворено в полной мере лишь с помощью активных или пассивных фазированных антенных решеток.

Известны различные способы электрического сканирования, различающиеся методами реализации необходимого сдвига фаз между излучателями, обладающие своими достоинствами и недостатками.

При наиболее распространенном фазовом сканировании изменение относительных фаз поля излучателей по раскрыву достигается с помощью аналоговых или дискретных фазовращателей, фаза выходящей электромагнитной волны в которых непрерывно или дискретно меняется в зависимости от управляющего тока или напряжения [1-6].

Использование аналоговых фазовращателей позволяет реализовать плавное изменение фазы в каждом фазовращателе и, как следствие, угловое перемещение ДН. При использовании дискретных фазовращателей осуществляется скачкообразное изменение фазы и положения ДН в пространстве. При замене фазовращателей коммутаторами, которые из набора излучателей с заданными фазами включают те, которые формируют ДН в нужном направлении, реализуется дискретно-коммутационное сканирование.

К достоинствам фазового сканирования следует отнести неизменность рабочей частоты радиосистемы и возможность реализации широкоугольного сканирования. Однако реализация фазового сканирования в больших многоэлементных решетках требует большого количества сравнительно дорогих фазовращателей, что приводит к существенному увеличению массы и стоимости конструкции, а также усложняет управление. Кроме того, эффективные фазовращатели разработаны и освоены промышленностью не для всех представляющих интерес частотных диапазонов. Поэтому поиск альтернативных способов сканирования продолжает привлекать внимание разработчиков антенных решеток.

При частотном сканировании изменение относительных фаз излучателей достигается путем изменения частоты генератора (в передающей антенне) или гетеродина приемника [1,7-32].

Основным преимуществом частотного сканирования является простота реализации: для управления положением луча достаточно наличия генератора с широким диапазоном перестройки частоты или сильно дисперсионной среды антенны при малой полосе частот генератора; при этом способе сканирования нет необходимости в фазовращателях, роль которых выполняют отрезки питающих канализирующих систем. Все это позволяет существенно снизить массу и стоимость конструкции.

Возможности частотного сканирования с точки зрения реализации сканирования луча в широком секторе углов зависят от применяемой канализирующей системы, выбора типа излучателей, закона их расположения и ряда других факторов.

Так, например, использование прямоугольного полого волновода позволяет реализовать сканирование в угловом секторе (12.60)° при синфазно связанных с волной излучателях (излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по одну сторону от нейтрали) и (-90. 14)° при переменно -фазно связанных с волной излучателях (излучатели расположены попеременно по разные стороны от нейтрали) [9]. Для этого требуется изменение частоты (коэффициент частотного перекрытия) в 1,95 и 1,96 раза соответственно.

К настоящему времени достаточно подробно исследованы предельные возможности частотного сканирования при использовании в качестве канализирующих систем ребристых структур, прямоугольных полых волноводов и некоторых волноводно-диэлектрических структур, а также ряда недисперсионных структур.

Одним из способов уменьшения коэффициента частотного перекрытия, применимом при симметричном относительно нормали секторе сканирования, является коммутация направления питания. В этом случае при перемене направления бегущей волны направление излучения изменяется на симметричное относительно нормали к антенне, а коэффициент частотного перекрытия уменьшается в 2 раза при той же величине сектора сканирования.

Для уменьшения коэффициента частотного перекрытия при сканировании в несимметричном относительно нормали секторе можно использовать систему параллельных волноводов с разным периодом излучателей. Каждый волновод при одинаковой девиации частоты обеспечивает сканирование в соответствующем секторе. Сумма этих секторов должна быть равна полному сектору сканирования. При достаточно большом числе параллельных волноводов заданный сектор сканирования может быть перекрыт при достаточно малом коэффициенте частотного перекрытия.

Подобные способы уменьшения коэффициента частотного перекрытия усложняют управление антенной и приводят к увеличению массы конструкции.

Другим способом уменьшения коэффициента частотного перекрытия является применение структур с высокой дисперсией. Так, например, при использовании в качестве канализирующей системы ребристой структуры возможно перекрытие практически полного сектора сканирования при коэффициенте частотного перекрытия, существенно меньшей, чем в случае прямоугольного полого волновода (изменение частоты на несколько процентов) [11].

В последнее время благодаря прогрессу в области разработки новых высококачественных диэлектриков, имеющих малые потери в СВЧ-диапазоне, возрос интерес к волново дно-диэлектрическим структурам [13-17]. Изменение местоположения, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрика в подобных структурах позволяет в широких пределах изменять рабочий диапазон частот, влияющий на сектор сканирования. Кроме того, наличие диэлектрика увеличивает дисперсию системы, уменьшая тем самым необходимый коэффициент частотного перекрытия.

В ряде случаев возможно использование в качестве канализирующей системы змейковых волноводов [18-20] и волноводов сложных сечений (П- и Н-волноводов) [21-25].

Наряду с дисперсионными системами частотное сканирование может быть реализовано также применительно к недисперсионным системам [26-28]. Однако для реализации широкоугольного сканирования в этом случае существенно возрастет коэффициент частотного перекрытия. Анализ частотного сканирования с точки зрения реализации предельных возможностей качания луча при использовании различных канализирующих систем проведен в первой главе.

Частотный способ сканирования свободен от недостатков, присущих фазовому сканированию, но в его традиционной реализации частота используется как управляющий параметр, что является ограничивающим фактором с точки зрения оптимального приема и помехозащищенности. Поэтому разработка способов сканирования, обладающих достоинствами частотного способа и свободных от присущих ему ограничений, является практически важной задачей.

В 1997 году был предложен новый способ электрического сканирования, позволяющий реализовать качание луча без использования фазовращателей при неизменной частоте излучаемого колебания. Суть предложенного способа состоит в суперпозиции волн от двух расположенных в разных точках пространства источников (генераторов), излучающих колебания с различными переменными частотами [33-35]. При этом частоты обоих генераторов изменяются синхронно таким образом, чтобы их разность или сумма оставалась неизменной. Суммарное поле этих источников детектируется на нелинейных элементах, встроенных в излучатели. В результате на выходе нелинейных элементов возникает колебание, содержащее разность и сумму частот первичных источников. Одно из таких колебаний выделяется с помощью полосовых фильтров и излучается в свободное пространство излучателями, настроенными на частоту выделенной комбинационной составляющей. Изменение фазового распределения вдоль линейки излучателей, необходимое для реализации сканирования, создается за счет использования геометрических особенностей цепей запитки излучателей линейки.

Отличительной и важной особенностью этого способа сканирования является сочетание достоинств как фазового (неизменность частоты излучаемого колебания), так и частотного (отсутствие необходимости в фазовращателях) способов. Поскольку в таком способе сканирования используются нелинейные преобразования, он далее для краткости именуется нелинейным сканированием.

Такое нелинейное сканирование было апробировано в системах пространственной запитки линейки излучателей в свободном пространстве (г. Пущино) [36] и микрополосковой линии передачи [37-38].

Основной целью настоящей диссертационной работы является исследование различных схем реализации нового способа сканирования без использования фазовращателей и определение предельных возможностей этого способа в отношении обеспечения максимального сектора сканирования при минимальной ширине полосы используемых частот.

Для достижения указанной цели проведены следующие работы:

1.Проанализированы имеющиеся данные о секторах сканирования в различных канализирующих системах при частотном сканировании.

2.Разработаны принципы нелинейного сканирования и исследованы его возможности при последовательной запитке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка).

3 .Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования (максимальный сектор сканирования, ширина полосы используемых частот первичных источников, максимальное количество излучателей в линейке) при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях.

4.Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных системах.

5.Получены экспериментальные подтверждения возможности реализации нелинейного сканирования в одной из дисперсионных канализирующих систем.

В первой главе диссертационной работы дан краткий анализ основных способов электрического сканирования и имеющихся сведений о предельных секторах сканирования, реализуемого частотным способом. Вторая глава посвящена развитию теории нелинейного сканирования, проведению модельных расчетов и исследованию предельных возможностей нелинейного сканирования при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях. В ней также исследуются предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах. Третья глава посвящена разработке принципов нелинейного сканирования и исследованию его возможностей при последовательной запитке линейки излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при смешанной запитке излучателей линейки. В этой части приведены также результаты экспериментальных исследований по подтверждению возможности реализации нелинейного сканирования применительно к дисперсионной канализирующей системе (полый прямоугольный волновод). В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, и определены перспективы дальнейшего развития нелинейного сканирования.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Новые принципы нелинейного сканирования для вариантов с последовательной запиткой линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, и при смешанной запитке линейки излучателей.

2.Физические и математические модели различных схем нелинейного сканирования и результаты модельных расчетов для варианта с пространственной запиткой эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве.

3.Результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов для варианта с параллельной запиткой и использованием линий задержки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

4 .Экспериментальные результаты по нелинейному сканированию в приемной антенной решетке с дисперсионной канализирующей системой.

ЗЛО Выводы

Из результатов теоретических и экспериментальных исследований следует:

1.В волноводных канализирующих системах наиболее оптимальным для максимизации сектора сканирования являются следующие схемы: вариант односторонней запитки волновода с попеременным расположением излучателей вдоль широкой стенки по разные стороны от нейтрали и работе на разностной частоте, а также вариант двухсторонней запитки волновода при работе на суммарной частоте.

2.Наиболее перспективной из волноводных канализирующих систем для нелинейного сканирования является структура из прямоугольного волновода и тонкой пластины из диэлектрика с высоким значением £а расположенной параллельно узким стенкам волновода в плоскости симметрии. Использование такой конструкции позволяет расширить максимальный сектор сканирования за счет расширения рабочей полосы частот, свободной от высших типов колебаний. Подобные структуры обладают, кроме того, значительно меньшими потерями, массой и стоимостью по сравнению с полностью заполненными диэлектриком волноводами.

3 .Использование ребристых структур позволяет реализовать широкоугольное сканирование (вплоть до перекрытия практически полного сектора сканирования) при различных конфигурациях, в частности, при односторонней запитке ребристой структуры и работе на разностной частоте без создания дополнительного фазового набега между соседними излучателями и существенно меньших коэффициентах частотного перекрытия. Однако недостатком подобных систем являются значительно более высокие, чем в волноводе потери.

4.Из исследованных конструкций со смешанной запиткой наилучшими характеристиками в части предельных секторов сканирования обладает конструкция с волноводно-коаксиальной запиткой. Наряду с возможностью реализации сканирования в широком секторе такая конструкция позволяет реализовать нелинейное сканирование при работе на разностной частоте и расположении излучателей по одну сторону от нейтрали. Эти конструкции могут найти применение для решения задач, в которых используются значительно отличающиеся рабочие диапазоны частот первичных генераторов, один из которых является запредельным для волновода.

5.Показана реализуемость нелинейного сканирования с помощью волноводно -щелевой конструкции на основе полого щелевого волновода.

Заключение

Одним из результатов настоящей работы является расширение предельных возможностей электронного способа сканирования с сохранением частоты излучаемого колебания и не требующего использования фазовращателей и схем коммутации - нелинейного сканирования -применительно к пространственной запитке линейки излучателей, расположенной в свободном пространстве и линейкам излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах при различных схемах запитки.

В частности была доказана возможность расширения сектора сканирования <Як=<?>тах-^тт при пространственной запитке линейки излучателей, расположенной в свободном пространстве, вплоть до (80.85)°.

Была также доказана возможность расширения сектора сканирования применительно к конструкции, представляющей собой линейку излучателей, расположенную в недисперсионной канализирующей системе (микрополосковой плате), которая запитывается от первичных генераторов Гх и Г2 переменных частот и /2 с одной стороны. При этом частоты генераторов изменялись таким образом, чтобы их разность - частота излучаемого колебания - оставалась неизменной (Д/^аэпЕф, по низкой частоте /2 осуществлялась синфазная параллельная запитка, а в цепи запитки по высокой частоте были включены линии задержки, обеспечивающие требуемое линейное изменение фазы вдоль линейки излучателей [38].

Была предложена конструкция, предусматривающая запитку линейки излучателей с противоположных сторон, что позволяет исключить требующие использования проволочных перемычек-мостов или подобных конструктивных решений пересечения цепей запитки по высокой и низкой частотам.

Доказана также возможность реализации нелинейного сканирования при суммарной частоте излучаемого колебания (Д+/2=аэпйЗ.

Была разработана модель нелинейного сканирования применительно к ряду дисперсионных систем (волноводно-щелевые конструкции и ребристые структуры). Эти проблемы не рассматривалась ранее ни в нашей стране, ни за рубежом.

Согласно результатам модельных расчетов применительно к канализирующим системам, выполненным на основе полого прямоугольного волновода, с точки зрения максимизации секторов сканирования оптимальными являются 2 варианта: односторонняя запитка волновода при попеременном расположении излучателей по разные стороны от нейтрали при разностной частоте излучаемого колебания и двухсторонняя запитка волновода при суммарной частоте излучаемого колебания.

В работе приведены результаты экспериментальных исследований возможности реализации нелинейного сканирования применительно к вол новодно -щелевой конструкции, выполненной на основе полого прямоугольного волновода.

Одним из перспективных направлений является использование волноводов с тонкой диэлектрической пластиной с высоким значением расположенной параллельно узким стенкам в плоскости симметрии. Подобные конструкции расширяют рабочую полосу частот, обладают большей, по сравнению с полым прямоугольным волноводом, дисперсией, обеспечивая тем самым меньшие коэффициенты частотного перекрытия при практически одинаковых потерях.

В работе была также доказана возможность реализации нелинейного сканирования при "смешанной" запитке линейки излучателей, при которой колебания от первичных генераторов подаются на нелинейные элементы линейки через разные канализирующие системы (волновод и коаксиальную линию или волноводы различных сечений).

На основании анализа результатов модельных расчетов можно заключить, что нелинейное сканирование имеет ряд преимуществ по сравнению с частотным и фазовым, главное из которых возможность широкоугольного качания луча при неизменности частоты излучаемого колебания и без использования фазовращателей и схем коммутации. К главным проблемам следует отнести не слишком высокий КПД конструкции, связанный со сложностью согласования системы волновод-щель-диод, выбором местоположения нелинейных элементов в щели и т.д.

Полученные результаты позволяют надеяться на реализацию широкоугольного сканирования применительно к большим многоэлементным АФАР, используемым в связных и иных системах, при существенном снижении массы конструкции и упрощении управления.

Результаты, полученные в рамках настоящей работы, также определяют ряд направлений дальнейших исследований нелинейного сканирования:

1.Повышение КПД путем выбора или разработки эффективных излучателей и оптимизации конструкций.

2.Реализация нелинейного сканирования при параллельной запитке линейки излучателей с использованием волноводов различных длин и сечений.

3 .Реализация двумерного нелинейного сканирования.

1.Современные проблемы антеннонзолноводной техники. Сборник статей под ред. A.A. Пистолькорса. М., Наука, 1967.2 .Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М., ВШ, 1988.

2. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Д.И. Воскресенского. М., "Радио и связь", 1981.

3. Вольперт А.Р. О частотной зависимости ориентации диаграммы направленности в сканирующих антенных решетках с фазируемыми элементами. М., Антенны, вып. 17, изд. "Связь", 1973.

4. Ардабьевский А.И., Новосартов М.Т. Антенны с электрическим сканированием. Современные проблемы антеннонзолноводной техники. Сборник статей. Академия наук СССР. Секция физики. М., Наука, 1967.

5. Ю.Ардабьевский А.И., Бахрах Л.Д, Дерюгин JI.H. Авторское свидетельство №110198 на изобретение "Способ качания луча линейной антенны".

6. Бергер М.Н., Капилевич Б.Ю. Прямоугольные волноводы с диэлектриками. М., Советское радио, 1973 г.

7. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. М., Сов. радио, 1970.

8. Егоров Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы. М. Сов. радио, 1967.

9. М . D anielsgn, R. CBigenssn. "FiBquency scanning ш icrostrip antennas". IEEE Trans.Antennas Piqpagat., M auch 1979.

10. Конструирование и расчет полосковых устройств под ред. И.С. Ковалева. М., Сов. радио, 1974.

11. Ефимов И.Е. Радиочастотные линии передачи. М. Сов. Радио, 1964.

12. Бахрах Л.Д, Степаненко С. H., Поваренкин H.B. Использование квазиволн для фазирования антенных решеток с произвольным расположением модулей. Успехи современной радиоэлектроники, 7, 1997.

13. Бахрах Л. Д. и др. Новый способ управления диаграммой направленности приемной фазируемой антенной решетки. XXV П радиоастрономическая конференция, т.З, Санкт-Петербург, 1997.

14. Т. Nishio, Y. Wang, Т. Itoh. A frequency-controlled beam-steering array with mixing frequency compensation for multichannel applications. IEEE Trans. Antennas Propagat.,\ol. ,2004.

15. Гоноровский И С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Радио и связь, 1986.

16. Гуткин J1.C. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование. М., Госэнерглиздат, 1953.

17. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И. Вольмана. М., Радио и связь, 1982.

18. Бахрах Л.Д., Малов А.В. Некоторые вопросы частотного сканирования. М., Антенны, 2001, №2.

19. Бахрах Л.Д., Лось В.Ф., Малов А.В., Шаманов А.Н. Частотные свойства излучателей и антенн. Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн". ИРЭМВ. Таганрог, 2001.

20. Малов А.В. Некоторые возможности двухчастотного сканирования. М., Антенны, 2001, №9.

21. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М., ВШ, 1973.

22. Бахрах Л.Д., Малов А.В. Некоторые закономерности двухчастотного сканирования для волноводно-щелевых антенн, выполненных на основе прямоугольных волноводов, частично заполненных диэлектриком. М., Антенны, 2002.