автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Исследование цилиндрических прямоугольных плосковых антенн и решеток на их основе с многослойной диэлектрической плдложкой и многослойным диэлектрическим укрытием

РГ6 од

; . . . , На правах рукописи

ГР"

ДАИЛИС Самуил Юльевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН И РЕШЕТОК НА ИХ ОСНОВЕ С МНОГОСЛОЙНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКОЙ и МНОГОСЛОЙНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УКРЫТИЕМ

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального

назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена на кафедрах "Радиопередающие устройства" и "Технология производства радиоаппаратуры" Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Панченко Борис Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Войтович Николай Иванович; доктор технических наук, профессор Памятных Евгений Алексеевич

Ведущая организация: Особое Конструкторское Бюро

Московского электротехнического института, г. Москва

Защита состоится 26 июня 1998 года в 15.00 на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К.063.25.04 Уральского государственного технического университета по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 32, ауд. Р-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, УГТУ, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан 'л//1! мая 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета К.063.25.04, кандидат технических щук^х^-' ¿¿-Важенин В Г доцент

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Работа посвящена анализу свойств конформных прямоугольных печатных антенн и решеток на их основе, расположенных на внешней поверхности кругового проводящего цилиндра, укрытого несколькими диэлектрическими слоями. Исследователи и разработчики антенных систем стабильно проявляют интерес к этому вопросу, так как достоинства конформности, высокой устойчивости к воздействию окружающей среды, малого веса и габаритов и невысокая стоимость делают полосковые антенны на цилиндрических телах незаменимыми для авиационных, метеорологических, геофизических и медицинских применений.

Экспериментальное моделирование полосковых антенн и решеток на их основе на цилиндрических телах зачастую затруднено и даже невозможно, если необходимо настроить антенную систему, предназначенную для функционирования в земляных скважинах, в воздушном пространстве или на теле человека. Во всех этих случаях диэлектрические материалы с потерями располагаются в непосредственной близости от антенных элементов и их необходимо рассматривать как неотъемлемую часть антенной системы.

На цилиндрах малого электрического радиуса с толстыми покрытиями поверхностные волны существенно модифицируют поведение импе-дансных и направленных характеристик антенных систем, делая недостоверными данные,-полученные из натурного макетирования без наличия диэлектрических материалов.

Оценки взаимного влияния полосковых антенн в антенных системах и решетках на цилиндрических телах могут сильно отличаться от оценок, полученных расчетным или экспериментальным путем для антенн, расположенных на плоскости. Это делает метод моделирования взаимодействия цилиндрических полосковых антенн крайне необходимым для решения вопросов электромагнитной совместимости.

В связи с этим за последнее десятилетие было опубликовано немало работ, посвященных вопросам теоретического моделирования прямоугольных полосковых антенн на цилиндрах.

Тем не менее, количество публикаций на эту тему во много раз меньше, чем количество публикаций, посвященных исследованию разнообразных конструкции полосковых антенн на плоском экране. Это связано прежде всего с тем, что строгий учет кривизны цилиндрического экрана

в сочетании со слоистостью подложки и покрытия в рамках классического подхода приводит к целому кругу аналитических и вычислительных проблем.

Настоящая работа и была предпринята с целью восполнения пробелов в существующих методах анализа прямоугольных цилиндрических полосковых антенн со слоистым укрытием.

Целью диссертационной работы является разработка универсального метода анализа характеристик печатных полосковых излучателей на многослойных цилиндрических подложках, включающего в себя определение импедансных характеристик, расчет диаграмм направленности, оценку вклада поверхностных волн, учет наличия вытекающих волн, расчет влияния слоистых укрытий с потерями, оценку взаимодействия полосковых антенн в составе антенных решеток.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что анализ различных технических реализаций излучающих систем проведен на основе развитой в работе общей теории возбуждения слоистых цилиндрических структур в формулировке двух альтернативных представлений электромагнитных полей в виде разложения по радиально и продольно распространяющимся пространственным гармоникам. Выделен и проанализирован вклад поверхностных волн внешней области металлического цилиндра с многослойной оболочкой в импедансные характеристики полосковых антенн. Выявлено присутствие вытекающих волн в открытых слоистых структурах и продемонстрирован метод компенсации ошибок, связанных с вкладом вытекающих волн, при расчете полей в дальней зоне. Построена аналитическая модель диаграммы направленности полосковой антенны в составе цилиндрической периодической антенной решетки со слоистым укрытием. Предложен эффективный способ вычисления комбинаций цилиндрических функций Бесселя, обеспечивающий широкую применимость всех предложенных аналитических моделей.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что предложенные методы и алгоритмы позволяют предсказать характеристики полосковых антенн и решеток на цилиндрах с произвольным количеством слоев диэлектриков с потерями. Практическая ценность определяется также тем, что разработанные алгоритмы и компьютерные программы позволяют непосредственно находить технические характеристики антенн как элементов радиоэлектронных систем, что приводит к

существенной экономии материальных и трудовых ресурсов па проектирование.

Реализация результатов работы. Изложенные в диссертационной работе результаты получены в ходе выполнения плановых госбюджетных и частично научно-исследовательских хоздоговорных работ, проводившихся на кафедре "Радиопередающие устройства" Уральского государственного технического университета, г. Екатеринбург. Они также нашли применение в учебном лабораторном практикуме дисциплины "Антенны и устройства СВЧ".

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ряде всесоюзных, республиканских и международных конференций и научно-технических семинаров, среди них:

республиканские научно-технические конференции УГТУ (Екатеринбург,1985, 1988 гг.); школа-семинар в Куйбышевском авиационном институте в 1987 г.; всесоюзная конференция "Интегральная электроника" (Красноярск, 1988 г.); международный симпозиум по электромагнитной совместимости( Вроцлав, 1988 г. и 1990 г.); всесоюзная конференция "Устройства и методы прикладной электродинамики" (Одесса, 1988 г.); республиканская конференция "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах'^ Суздаль, 1989 г.); всесоюзная НТК "Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения" (Свердловск, 1989 г.); всесоюзное научно-техническое совещание "Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно-фидерных систем и их элементов" (Ростов Ярославский 1990 г); ■ • межрегиональная НТК "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования, практика (Ленинград, 1991 г.); международный симпозиум 1Л131 по электромагнитной теории (Санкт-Петербург, 1995 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы содержатся в 22 опубликованных работах; основное содержание работы опубликовано в 17 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения и содержит 167 страниц текста и рисунков, 44 страницы рисунков. Список литературы включает 87 наименований.

Содержание работы

Во введении показывается актуальность рассматриваемой задачи, формулируется цель исследования и делается обзор основных тенденций и направлений в области анализа полосковых антенн на цилиндрических подложках.

В первой главе построена общая методика решения задачи возбуждения произвольной цйлиндрической слоистой среды. Излучение антенн у металлических цилиндров, покрытых неоднородными диэлектрическими оболочками, возбуждение магнитодиэлектрических неоднородных цилиндрических волноводов с металлическими оболочками и без них, возбуждение коаксиальных линий с неоднородным магнитодиэлектри-ческим заполнением - все эти проблемы сводятся к решению задачи о возбуждении, произвольным распределением сторонних токов неоднородной среды, обладающей следующими характеристиками:

1) границы однородных слоев имеют вид концентрических цилиндров с продольной осью, совпадающей с осью z\

2) диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость постоянны в пределах слоя, т.е. являются кусочно-постоянными функциями поперечной координаты и не зависят от координат ф иг;

3) по продольной оси среда является неограниченной (решение, приведенное ниже, сохраняет справедливость и в случае ограничения среды идеально проводящими плоскостями 2 = const);

4) в радиальном направлении среда либо является открытой (т.е. последний внешний слой - бесконечное однородное пространство), либо ограниченной идеально проводящей поверхностью г = const в случае цилиндрического волновода или коаксиала.

Решение задачи о возбуждении такой среды получено в виде, пригодном для непосредственного применения в прикладных задачах. Это решение записано в виде двух представлений: в виде суперпозиции волн, распространяющихся вдоль оси г, и в виде суперпозиции волн, распространяющихся вдоль оси 2. Каждое из представлений имеет свои преимущества при различных конфигурациях сторонних токов и при определении различных характеристик антенн и других возбудителей электромагнитных волн.

Сначала решения уравнений Максвелла относительно продольных составляющих электрического и магнитного полей разлагаются в ортого-

нальный дискретно-непрерывный (дискретный по азимутальным гармоникам и непрерывный по продольному волновому числу) спектр Е- и Я- (относительно продольной оси г) пространственных типов колебаний (волн). Затем показано, что радиальная зависимость каждого типа колебаний в каждом отдельном слое структуры может быть получена как решение системы двух простых дифференциальных уравнений Бесселя; каждое уравнение Бесселя заменяется на пару телеграфных уравнений первого порядка, описывающих эквивалентные напряжения и токи в эквивалентных длинных линиях. В одной линии распространяются Е-волны, в другой линии Я-волны. При выводе этих уравнений получена явная связь эквиваленых источников тока и напряжения, возбуждающих эквивалентные линии, с распределением сторонних электрических и магнитных токов.

Затем граничные условия для продольных компонентов поля на границах слоев используются для формулировки граничных условий для токов и напряжений в эквивалентных линиях. Это позволило описать связь между линиями в терминах теории цепей. При этом вводятся широко используемые в дальнейшем понятия межграничных коэффициентов трансформации по току и напряжению и понятия граничных проводи-мостей и импедансов связи.

Строятся полные решения телеграфных уравнений связанных линий Е- и Я-волн для каждой линии с помощью модальных (т.е. определяемых для каждой моды - типа колебаний) скалярных функций Грина. Формулируются выражения для собственных и взаимных функций Грина, выражающиеся через значения напряжений и токов на левых и правых сторонах границ двух слоев (в общем случае), содержащих точку стороннего источника и точку наблюдения. Кроме того, в эти функции Грина входят коэффициенты трансформации между границами упомянутых двух слоев и входные левосторонние (измеренные в направлении убывания радиальной координаты) и правосторонние (измеренные в направлении возрастания радиальной координаты) проводимости (импе-дансы). Рассмотрены все возможные случаи расположения точек наблюдения г и точек источников г'.

Затем строится алгоритм рекуррентного вычисления всех используемых "цепных" характеристик. Рис. 1 иллюстрирует включение связанных линий и основные используемые в описываемом алгоритме понятия: граничные лево- и правосторонние проводимости и импедансы (У^, У^,

<— 1— —7 —Г —t —Т

ZTh, YiEi YJe-> Ztfi-, ZTB). Рассчитываются также проводимости и импедансы связи, коэффициенты трансформации по току и напряжению. Важным моментом является предварительное построение матриц пересчета напряжений и токов между смежными границами (С1 на рис. 1) и матриц пересчета между левой и правой сторонами (rt~, rf) г'-й границы (Г1 на рис. 1).

Именно на этом этапе проявляется универсальность подхода, позволяющего путем простой замены оконечных проводимостей и сопротивлений (Y"ie, Zщ, Y?je, Zfjff на рис. 1) получить решение задачи для различных конфигураций слоистой среды.

Затем производится преобразование уже полученного решения к разложению в спектр пространственных типов колебаний, распространяющихся вдоль продольной оси г. Для этого интеграл по вещественной оси на плоскости комплексного продольного волнового числа преобразуется к интегралу по специально выбранному контуру разреза. В ходе деформации пути интегрирования удается выделить в явном виде дискретный спектр поверхностных волн. Такое представление в дальнейшем несколько облегчает реализацию численного интегрирования, так как из подынтегральной функции удаляются сингулярности типа полюсов. Тем не менее, необходимость численного вычисления интеграла по каждому из берегов разреза фактически удваивает объем вычислений по сравнению со случаем разложения по радиальным типам колебаний.

11 м

Рис. 1. Расположение слоев, границ и точек определения модальных входных импедан-сов и проводимостей

г, г,,

Гк к.

В заключительных разделах первой главы на примере металлического

цилиндра с однослойным покрытием показано, что изложенная методика приводит к простым, изящным и имеющим наглядный физический смысл понятиям и формулам для электромагнитных полей.

Во второй главе метод анализа главы 1 конкретизирован для прямоугольной антенны с линейной и эллиптической поляризацией. В этой главе получены выражения для полей в ближней зоне, используемые для построения аналитической модели входного сопротивления антенны, возбуждаемой несимметричной полосковой линией (НПЛ), а также выражения для полей в дальней зоне, используемые для построения аналитической модели векторной диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности.

Интегральное уравнение относительно распределения плотности поверхностного электрического тока на пластине антенны решается с помощью метода Галеркина на наборе гармонических векторных базисных функций. Приведены аналитические выражения для случая антенны с однослойным укрытием.

Выполнен анализ спектра поверхностных волн в случае одно-, двух- и трехслойных оболочек металлического цилиндра.

На рис.3 приведены диаграммы зависимости коэффициентов замедления (нормированного волнового числа поверхностной волны) от толщины внешнего слоя для трехслойного покрытия.

Коэффициенты замедления £ для волн слабо зависят от ра-

диуса цилиндра. С ростом радиуса £ для Е§у несколько уменьшается, а для несколько растет.

Увеличение количества слоев покрытия приводит к появлению сложных, перекрещивающихся при малых толщинах слоев диаграмм.

Графики демонстрируют асимптотическую (по радиусу цилиндра) близость £ для и НЕь, а также для и ЕН

Затем выполнено исследование влияния различных параметров и характеристик цилиндрических структур на входной импеданс полосковой антенны.

Рис. 2. Антенна, возбуждаемая продольной НПЛ

При выполнении расчетов учитывалось наличие всего спектра поверхностных волн.

На рис. 4 продемонстрировано влияние радиуса металлического цилиндра на резонансную частоту азимутально возбужденной антенны (т.е. антенны, у которой точка питания расположена в середине азимутальной кромки антенны, что приводит к возбуждению только азимутальных составляющих поверхностного электрического тока и, как следствие, линейной азимутальной поляризации поля в дальней зоне) при наличии у антенны покрытия, электрически более плотного, чем

Увеличение радиуса цилиндра в четыре раза заметно сдвигает вниз резонансную частоту азимутально возбужденной антенны, но мало влияет на резонансную частоту антенны с продольным возбуждением.

При этом наличие плотного покрытия резко уменьшает влияние радиуса на резонансную частоту.

Покрытие существенно влияет на частотную зависимость входного импеданса. При боль-

'\о о.1 о.2 о.з о.4 о.5 о.. шой толщине (более 0,02 -

0, ОЗАо) оно сужает рабочую Рис. 3. Коэффициент замедления поверхност- ПОЛОСУ ЧаСТОТ аНТвННЫ ПО ных воли в трехслойной структуре коэффициенту СТОЯЧей ВОЛ-

НЫ (к.с.в).

Наложение диэлектрической оболочки существенно снижает резонансную частоту, причем уход резонансной частоты для продольно возбужденной антенны примерно в полтора раза больше, чем для азимутально возбужденной.

Затем исследовались диаграммы направленности прямоугольной по-лосковой антенны. Анализ меридиональных диаграмм направленности предварялся тщательным исследованием на предмет существования вытекающих волн. Это явление связано с появлением вблизи точки перевала (при асимптотическом вычислении интеграла по волновому числу) точ-

подложка.

и

160 э

140^ 1201 1003 80 ! 60| 401 201

А

-401

-во] -воз

/Л 1 1

ро=0 Г\ / \ /о = 2.00вНг Г с12 = 0.05Я0 ' £1 = 2.55 Ё £2 - 3.53

N --- ! 1 \

\ V

к /. У

/ \ \

| ' ' ) / \ \

У / \ \

\ 1

! Л 1

3 г0 = 1ЛЦ,<- \ • __-С-"'

\ 4 Ч 1

1 / 1111—

.20

Рис. 4. Влияние радиуса.цилиндра на входное сопротивление азимуталыю возбужденной антенны с покрытием (размеры антенны: Ь = \¥ = 42.8»и.и). По оси абсцисс - частота в ГГц, по оси ординат - сопротивление в омах

ки полюса, дающей существенный вклад. Физически вклад вытекающей волны в дальнее поле не проявляется и должен быть скомпенсирован корректным вычислением асимптотики интеграла по волновому числу, обеспечивающим компенсацию вклада близко расположенного комплексного полюса.

Отметим, что вытекающие волны могут появляться при различных значениях индекса азимутальной гармоники ттг в спектральных разложениях полей. В таблице приведены координаты полюсов вытекающих волн для следующих размеров и характеристик среды: (вещественная часть точки полюса /гг/ задана в виде меридионального угла т.е. Ьг\ = сов 0ц мнимая часть точки полюса обозначена Ьц):

количество слоев - 2, е[ = 2, 55, г'2 — 3,53, потерь в диэлектрике нет, г0/А0 = 1,0; ¿1/А0 = 0,01, ¿2/% = 0,05, рабочая частота 1,37 ГГц.

В главе показано, что вытекающие волны проявляют себя только для ограниченного числа азимутальных гармоник; что меридиональный угол (отсчитываемый от оси цилиндра), определяющий сектор существования вытекающей волны (и положение полюса), с ростом индекса гармоники

т ви град Ьц

3 6.52 -1.5е-3

4 19.70 -0.02396

5 31.45 -0.061-7

смещается к плоскости 2 = 0; что с ростом азимутального индекса полюс смещается от вещественной оси так, что при достаточно большом т (различном для различных структур) он оказывается на достаточном удалении от исходного пути интегрирования и перестает давать заметный вклад в поле дальней зоны.

На рис. 5 для сравнения построены две меридиональных диаграммы направленности для продольно возбужденной антенны (Ь = 32.4 мм, У/ ~ 69.8 мм, главная поляризация Ед). Они были рассчитаны для цилиндрической структуры, чьи полюса вытекающих волн приведены в таблице. Одна, изрезанная диаграмма направленности, демонстрирует результат неверного применения метода перевала, не учитывающего близость полюса вытекающей волны к пути интегрирования; другая, полученная при корректном учете полюса вытекающей волны, имеет вид, типичный для слабонаправленных антенн, излучающих вблизи проводящей поверхности, покрытой слоем диэлектрика.

90

-25 -20 -15 -10 -5

Рис. 5. Меридиональная диаграмма направленности для для продольно возбужденной антенны с покрытием (см. таблицу) в плоскости <р — 0°; маркером + обозначена диаграмма с учетом вытекающих волн; маркером □ обозначена диаграмма без учета вытекающих волн

Далее в главе рассмотрены азимутальные диаграммы направленности. Следует особо отметить анализ влияния диэлектрического покрытия на азимутальное распределение поля в дальней зоне антенны. Показано, что увеличение толщины подложки, как и увеличение толщины покрытия в случае продольного возбуждения приводит к незначитель-

ному расширению азимутальной диаграммы направленности. Азимутальное возбуждение делает азимутальную диаграмму направленности значительно более чувствительной к толщине подложки и покрытия. Покрытие оказывает существенное влияние на диаграмму направленности за пределами сектора ±60°. В диапазоне толщин 0,01 - 0,05Ао покрытие значительно увеличивает уровень излучения в секторе ц> > 120° и формирует ярко выраженное многолепестковое угловое распределение поля. Подобное явление имеет место и при большой толщине подложки. Оно связано со смещением максимума амплитуд азимутальных гармоник спектрального разложения электрического поля в сторону гармоник с большей величиной индекса и, как следствие, с преобладающим вкладом парциального поля с резко меняющейся с изменением азимутального угла комплексной амплитудой. Это явление, в свою очередь, связано с возбуждением азимутальных поверхностных волн. Далее в главе рассмотрены проблемы анализа прямоугольных антенн с угловым питанием, формирующих поле с круговой поляризацией. Приведены частотные зависимости входного сопротивления и угловые зависимости коэффициента эллиптичности поля в дальней зоне. Отмечено, что наличие покрытия несколько увеличивает сектор азимутальных углов, в пределах которого в сечении 9 = 90° коэффициент эллиптичности не хуже 3 дБ.

Описана экспериментальная установка и приведены данные по измерениям комплексного входного сопротивления и диаграмм направленности на лабораторном макете прямоугольной полосковой антенны с однослойной подложкой. Входное сопротивление измерялось для антенны с продольным возбуждением и со смещенной точкой питания. Диаграмма направленности снималась для решетки из двух антенн с синфазным и противофазным питанием. Результаты эксперимента показывают, что после учета разброса диэлектрической проницаемости покрытия (ФАФ4-СКЛ) наблюдается приемлемая близость расчетных и экспериментальных данных.

В третьей главе рассмотрено взаимное влияние полосковых антенн в небольших цилиндрических антенных решетках. Построена аналитическая модель коэффициента взаимной связи двух прямоугольных антенн в слоистой цилиндрической среде. Рассчитываются элементы 2 - матрицы эквивалентного четырехполюсника, описывающего передачу сигнала из одной антенны в другую. Расчет основан на корректно сформулированных моделях холостого хода на входных клеммах антенн.

Отмечено, что в случае продольно возбужденных антенн уменьшение

радиуса в два раза приводит к увеличению связи на 4-5 дБ, причем сама зависимость связи от осевого расстояния при малых радиусах цилиндра становится существенно меньшей, чем на цилиндре большого радиуса.

Продемонстрирован противоположный характер влияния радиуса цилиндра на связь антенн с азимутальным возбуждением - с уменьшением радиуса цилиндра взаимная связь уменьшается, причем величина наклона графиков при различных радиусах практически не меняется.

Интересно отметить колебательный характер зависимости связи от осевого расстояния при больших толщинах подложки. По-видимому, такая форма этой зависимости обусловлена существенным вкладом и интерференцией поверхностных волн. При больших толщинах подложки и небольших радиусах цилиндра этот вклад во взаимодействие оказывается преобладающим.

Азимутально возбужденные антенны обнаруживают монотонно убывающий характер изменения связи с осевым расстоянием и демонстрируют рост связи с толщиной подложки.

Электрически плотное покрытие существенно уменьшает взаимную связь между двумя антеннами с продольным возбуждением. По-видимому, этот эффект связан с подавлением интенсивности возбуждения поверхностных волн в слоистой структуре с электрически менее плотной подложкой.

На связь антенн с азимутальным возбуждением покрытие оказывает влияние только при очень большой толщине покрывающего слоя.

Изложенная методика была применена для построения 9-элементной антенной решетки на основе прямоугольных полосковых антенн с продольным возбуждением. Решетка должна была обеспечить диаграмму направленности шириной 35 - 40° в главных плоскостях и уровень бокового излучения не хуже -10 дБ.

■ Решетка работает на частоте 2 ГГц, размещается на цилиндре радиусом 150 мм (г0 = 1,ОАо), размеры антенны L = 27 мм, W = 43,2 мм; Цилиндр покрыт диэлектриком толщиной 7,5 мм (di = 0,05Ао) с диэлектрической проницаемостью = 5.

Антенны размещены в узлах прямоугольной сетки с межцентровым расстоянием по азимуту 25° и по оси 90 мм (0,бАо). Распределение возбуждения вдоль решетки предполагалось синфазным.

Снижение амплитуды питания четырех угловых элементов до 0,8 от одинаковой амплитуды питания остальных пяти элементов позволило обеспечить заданные требования к диаграмме направленности.

В четвертой главе рассмотрено обобщение материала глав 1 и 2 на случай периодических решеток прямоугольных полосковых антенн на цилиндрической поверхности с использованием подхода работы Borgiotti G. V., Balzano Q. Analysis and element pattern design of periodic arrays of circular aperures on conducting cylinders. //IEEE Trans.-1972.-Vol.AP-20,№5 - P.547-555.

В основе этого подхода лежит уникальное свойство цилиндрической структуры, свойственное из канонических структур только сферической - оставаясь периодической по азимуту, она является конечной в радиальном направлении. Это позволяет ввести понятие "собственно!! функции возбуждения", определяемой только периодическими характеристиками структуры. Разложение функции, описывающей распределение питающих напряжений по элементам реальной конечной решетки, по этим собственным функциям дает возможность выполнить аналитические преобразования, существенно упрощающие результирующие расчетные выражения для некоторых частных видов распределения питающих напряжений.

В итоге построена аналитическая модель поля в дальней зоне, создаваемого центральным элементом периодической решетки из прямоугольных полосковых антенн, расположенных в узлах прямоугольной сетки на металлическом цилиндре со слоистой оболочкой. При этом сделано обычное в таких задачах предположение о нагрузке всех остальных элементов решетки на согласованные сопротивления. В рамках этой модели осуществляется решение интегрального уравнения относительно плотности электрического тока на пластине антенны для каждой собственной функции возбуждения в отдельности с последующей суперпозицией вкладов всех собственных функций в поле дальней зоны.

Полученные результаты позволяют судить о влиянии окружения с интенсивным электромагнитным взаимодействием между антеннами на характеристики отдельных антенн. Форма диаграмм направленности для центрального элемента в составе решетки в целом сходна с формой диаграмм направленности одиночной антенны.

Тем не менее, проведенный анализ азимутальных диаграмм показал, что влияние взаимодействия у антенн с продольным возбуждением без покрытия приводит к значительному росту заднего излучения в плоскости в = 90°, включая заплывание нуля заднего излучения, свойственного одиночной антенне.

Следует также отметить большой уровень кроссполяризационного из-

лучения в меридиональных сечениях, отличных от горизонтального, и сужение диаграмм направленности по главной поляризации в этих же плоскостях.

Покрытие оказывает существенное влияние на уровень кроссполяри-зационного излучения продольно возбужденных антенн в составе решетки. Для такой антенны взаимодействие с другими антеннами в составе решетки при наличии покрытия может оказать положительное влияние на уровень кроссполяризационного излучения, снизив его в целом по объему диаграммы направленности с худшего значения -8 дБ для одиночной антенны до -16 дБ для антенны в составе решетки.

В заключение четвертой главы рассмотрены возможности одноколь-цевой антенной решетки с равномерным синфазным возбуждением по формированию квазиизотропного излучения в горизонтальной плоскости.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:

1. В качестве базисного метода, позволяющего наиболее просто учесть радиальную ступенчатую неоднородность диэлектрических свойств структуры, выбрано разложение продольных составляющих полей по радиально распространяющимся пространственным типам волн. Для нахождения радиального распределения амплитуд этих типов волн . использован метод эквивалентных схем в виде каскадно включенных отрезков связанных пар длинных линий, моделирующих распространение Е и Н - волн. Введено понятие сопротивлений связи на границах раздела слоев, получены соотношения, позволяющие получить все нужные сопротивления на границах и амплитуды эквивалентных токов и напряжений в линиях. Теория рассматривает с единой точки зрения такие структуры, как слоистый диэлектрический волновод, коаксиальную линию с неоднородным заполнением, внутреннюю область металлического цилиндрического волновода и внешнюю область цилиндрического волновода со слоистой оболочкой, различая их только с помощью концевых нагрузок.

Аналитическое продолжение в комплексную плоскость продольного волнового числа с последующим специальным преобразованием, приводящим к разложению продольных составляющих полей по продольно распространяющимся типам волн, позволяет аналитически выделить дискретную часть пространственного спектра, представляю-

щую собой совокупность поверхностных волн. Полученное представление требует больших накладных расходов на получение численных результатов в конкретных технических реализациях.

2. Проведено исследование входного импеданса и полей в дальней зоне прямоугольной полосковой антенны с различными видами покрытий и разными способами возбуждения. Рассмотрены антенны с различными видами линейной поляризации и с эллиптической поляризацией. Построены дЕгаграммы распределения волновых чисел поверхностных волн для многослойных оболочек. Показана важность корректного учета вклада вытекающих волн в поле дальней зоны.

3. Рассмотрены коэффициенты связи для прямоугольных полосковых антенн с различной ориентацией и с осевым и азимутальным разносом. Рассмотрен пример построения малоэлементной антенной решетки.

4. Методика расчета полей в слоистой цилиндрической структуре распространена на цилиндрические периодические решетки полосковых антенн. Рассчитаны азимутальные диаграммы направленности центрального элемента такой решетки при условии пассивной согласованной нагрузки на входах остальных элементов. Проанализирована однокольцевая антенная решетка как частный случай периодической излучающей структуры.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Дайлис С.Ю., Кац Е.М. Эффективный метод вычисления сложных комбинаций цилиндрических функций в задачах дифракции //Проблемы повышения эффективности и качества радиотехнических систем: Межвузовский сборник.- Свердловск: Изд.УПИ, 1978 . С. 69 - 73.

2. Дайлис С.Ю., Шакирзянов Ф.Н. Возбуждение электромагнитных полей в многослойном радиально-неоднородном диэлектрическом покрытии металлического цилиндра // Обработка сигналов в локационных системах исследования неоднородных сред: Тезисы докладов НТК-Свердловск: Изд. УПИ, 1985 - С.78 - 79.

3. Дайлис С.Ю., Панченко Б.А. Дисперсия постоянной распространения несимметричной полосковой линии с цилиндрическим экраном // Расчет и проектирование полосковых антенн: Тезисы докладов второй республиканской НТК.-Свердловск: Изд. УПИ, 1985 - С.45-46.

4. Панченко Б.А.,. Шабунин С.Н., Дайлис С.Ю. Излучение кольцевой антенны на цилиндре со слоем диэлектрика// Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика.-1986.-Т.29,№9.-~ С.971-974.

5. Дайлис С.Ю., Кац Е.М., Шабунин С.Н. Конформные микрополос-ковые антенны квазиизотропного излучения// Повышение надежности, качества и быстродействия РЭА на объемных интегральных схемах СВЧ: Тезисы докладов областной школы-семинара.-Куйбышев: Изд. КуАИ, 1987.- С.ЗО.

6. Дайлис С.Ю. Возбуждение электромагнитных волн в кусочно-постоянной радиально-неоднородной среде / Уральский политехи, ин-т,-Свердловск, 1987.-50 с. Деп. в ВИНИТИ 25.03.87, Д*2170-В87.

7. Дайлис С.Ю. Поверхностные волны в многослойных цилиндрических подложках микросхем //Тезисы всесоюзной конференции "Интегральная электроника". -Красноярск: Изд. КПИ,1988.-С.170-

8. Dailis S., Shabunin S. Microstrip antennas on metallic cylinder covered with radially inhomogeneous magnetodielectric //9th Int. Wroclaw Symp. on Electrom. Compatib., June 16-19. - Wroclaw, 1988. - Part 1.-P.271-277 .

9. Дайлис С.Ю., Шабунин С.Н. Полосковый излучатель с круговой поляризацией на цилиндрической подложке //Тезисы докладов НТК "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС. Суздаль, 3-7 апреля.-М.Д989- С.114 ,

10. Дайлис С.Ю. Излучение антенн у металлического цилиндра с многослойным покрытием //Рассеяние электромагнитных волн - Таганрог: Изд.ТРТИ, 1989 .-Вып.7.- С.74-80,

11. Дайлис С.Ю., Шабунин С.Н. Диаграммы направленности полоско-вых антенн с цилиндрическим экраном //Рассеяние электромагнитных волн,- Таганрог: Изд.ТРТИ, 1989.-Вып.7.~ С.80-86.

12. Дайлис С.Ю., Шабунин С.Н. Дуговая решетка полосковых излучателей с диэлектрическим укрытием //Тезисы докладов всесоюзной НТК "Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения".- Свердловск, 6-10 марта. - Свердловск: Изд. УПИ, 1989 - С.76.

13. Математическое моделирование полосковых антенн и антенных решеток, расположенных на цилиндрических и сферических телах с многослойным покрытием /Панченко Б.А., Дайлис С.Ю., Кац Е.М., Шабунин С.Н. //Тезисы всесоюзного НТС "Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно-фидерных систем и их элементов. Ростов Ярославский, 8-11 апреля.-Ростов. 1990-С.102.

14. Дайлпс С.Ю., Шабунин СЛ. Цилиндрические полосковые антенны и антенные решетки со слоистым покрытием //Тезисы докладов межрегиональной НТК "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования, практика,- Ленинград, 15-21 июня.-Л.:Изд. ЛГУ, 1991- С.21

15. Излучение решетки полосковых антенн на конечном экране / Пан-ченко Б.А., Нечаев Ю.Б., Дайлпс С.Ю., Шабунин С.Н. // ■-. Тезисы докладов межрегиональной НТК "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования, практика. Ленинград, 15-21 июня.-Л:;Изд. ЛГУ, 1991,- С.22

16. Dailis S., Shabunin S. Interaction effects in cylindrical arrays of microstrip antennas with multilayered enclosure // 10th Int. Wroclaw Symp. on Electrom. Compatib., June 26-29. - Wroclaw, 1990,- Part 1.-P.27-32

17. Dailis S., Shabunin S. Stacked and arrayed rectangular microstrip patch antennas with cylindrical substrate and layered coating // Proc. Int. URSI Symp. on Electromagn. Theory, May 23-26,- St.Petersburg, 1995.-P. 751-753

Подписано в печать 19.05.98 Формат 60x84 1/8 Бумага писчая Офсетная печать Усл. п.л. 1,16 Уч.-изд.л. 1,06 Тираж 100_Заказ 139 Бесплатно_

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира 19

ЗАО УМЦ УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира 17