автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Излучательная и и частотно-селективная поверхность на основе периодических металло-диалектрических структур

НАЩОНАЛЬНИЙ ТЕХН1ЧНИЙ УШВНРСИТЕТ УКРЛ1НИ "КШВСЬКИЙ ПОЛ1ТЕХН1ЧНИЙ 1НСТИТУГ

ВИПРОМШЮВАЧ! ТА ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВШ ПОВЕРХ!« НА ОСНОВ1 ПЕРЮДИЧНИХ МЕТАЛО-Д1ЕЛЕКТРИЧНИХ СТРУКТУР

Спец1альн1сть 05.12.07 - "Аптеки та пристро! м1крохвильопоТ ■ техи!ки"

Р Г Б ОД

1 1 МАР 1998

На правах рукопису УДК 621.396.677

ПАНТОВ Василь Стан1славович

Автореферат

днсертгщн «а здойуття паукового ступепя кандидата техшчннх наук

КиТв - 1996

Дисерташею е рукопне -

Робота виконана у Нацюналыюму техшчному уШверситет) Украши "Кшвський полгтсхн1чкий Шститут" на кафедр! теоретичнх основ радютехннкн

Наукош керишнки:

доктор техшчиих наук, професор Трохнменко Я.К.

кандидат техшчиих наук, старший иауковий аПвробтшк Дубровка Ф.Ф.

Офщшу! опоненти:

доктор ф13ико-матсматичних наук, професор Ф1алковськиП О.Т.

Пров1дна установа:

кандидат техшчиих наук Стерсополо €.А.

НД1 "Сатурн", м. Ки1в

Захнст вщбудеться ^ 1996 р. ог<Г на зас1даши

спец1ал!зованоТ вчено! ради К 01.02.21 у Нацюналыюму техн!чному ушверситет! Укра1ш1 "КП1" за адресою: 252056, Ки1в-56, нр. Перемоги,. 37, ВТУУ "КПГ.

3 днеерташею можка ознайомнтися у б1бл!отеш Нацюнальпого техшчного ушверентету Украши "КПГ.

Автореферат роз!сланий '

£££¿-1996 р.

ВченнК секретар спсц1ал1зовано7 вчено! ради, кандидат техшчиих наук

Кудпюв е.в.

ЛНОТАШЯ

Метою дисерташйноТ робота е розробка математичних моделей, числов! та експеримеиталып досл!дження цнлШдричинх випром!нювач1в та плоско-шаруватих частотно-селективних повсрхоиь на основ! метало-д!електричних перюдичних структур.

Для досягиеиня поставлено! мети у дисертац!нн!й робот» розв'язаш так» оснопп! задача

1. Вар!ацШним методом частковнх областей у наближенн! нсскшчгнно мало! тошдинн юлень, !деалыга1 нров!дност! метал!чиих иоверхонь та шдсутносп втрат у магштод!слектрнчннх середовищах розв'язан! внутрЬцн! кранов! задач! електродина-м!кн Для п1дкрнтого лелектричного стержня, пср!одично навантаженого к!льцями, та екраиованого юльцевого хвилеводу з д!електрич1шм заповненям. 3 використашшм методу перетворення Фур'е одержан! замкнем! вирази для компоненпв поля вкпромЫюваиня у далекШ зон!.

2. Роэроблеш алгоритмн та профами для алал!зу випром!нювач!в на основ! акс!алы10-симетричпих перюднчннх структур з юльцямн. Поршнянням числовнх результат!в з скспериментальнмми даними Шдтверджен! точн!сть ! адекватн!сть модел!. Досл!джеиа эалеж!псть характеристик розповсюдження та випром!нюва1шя р!зних тип!в хвнль в!д геометриЧннх параметра структур 1 матер!алышх параметр1в мап11то-Д|'електрнч1Шх середовищ, що заповнюють частков! облает!.

3. У наближенн! нескШченно мало! товщшш вибиваючих елемент'ш та ¡деально! пров!дносп металгоних поверхонь з внкорнстанням методу момеилв та спектрального анал!зу розв'язана задача днфракци плоско! електромапитно! химл! на плоско-шаруватШ частотно-селективн!й поверхш (ЧСП) з р13ною геометр!ею ведбиваючих елемогпв, що перюдично розташоваш на юлькох плотинах. У матричшй форм! одержан! внрази для узагальнених косфМснтсв в!дбнття та проходження дов1Льно поляриэованнхелсктромагштмих хвиль.

4. На основ! розроблено! модел! побудований алгоритм ! створена профама розрахуику характеристик дифракци електромагштних хвиль на плоско-шаруватих частотно-селективних поверхнях. Проведен! числов! досладжепня характеристик багатошаравих ЧСП з в!дбиваючими елементами иепрямокутно! форми.

Автор захтцае:

1. Розв'язок внутршшьоТ крайово! задач! електродниам!ки для акЫалыю-снмегрнчлих перюдичних структур з к1льцями, одержаний вар!ац!нним методом частковнх областей з урахуванням особливосй поля на ребр!.

2. Математичш вирази для компонент!в поля випромшювання у далек!!! зош для випром!нювачш у вигляд! вткритого к!нця екраиованого юльцелого хпилеподу з д!елсктрнчннм заповненям та для навантаженого тонкими юльцямн ;иелектрич1юго стержня, що одержан! методом перегворсня фур'е . п!д поперечних складопих незбуреного поля перюдшшо! структури.

а

3. Алгоритм i программу, що реалЬують одержан! матсматичн! моделГ випромп|ювам1в на ociioui акЫально-снметричнкх псрюдичннх структур з кмьиямн.

4. Розв'язок задач1 дифракц'й плоско! електромагштноТ хвал! на плоско-шарунатШ частотно-сслективнШ noocpxiii з в1д6|шаючнми елемснтами pi.nio'i форми, що эдобутин посднанням методу momciitíb i спектрального анал!зу э використанням апарату тецзорних функшй Грша.

5. Алгоритм i комплекс програм на mobí ФОРТРАН 77 для розрахунку характеристик дифракци?' довйльно полярнзованмх хвнль tía плоско-шаруватих метало-даелектричннх пергодичних структурах.

6. Результат)! розробки шнрокосмугових Д1елсктричпих стержпевмх airren, навантажених тонкими метал1чними к1дьцами, uto ршзначаються ннзышм р1внем кросполяризованого шшромшювання.

7. Результаты розробки полярнзацшио-швдршнтного частолго-сслсктканого контррефлектора з розширеною смугою п1дб|[ття для двохд1апазонио! осесиметрично! дзеркалыю! антенн.

ЗАГАЛоНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальность техн. Антешн системы сучасиих i нерспсктнвних рад1отехшчиих комплекса сантиметрового та мШметрового д!апазошв хвнль мають забезпечуватм прийом i випром1нюва1ШЯ сигпал!в з ортогоидлышмн поляризаи1ями, ниаькнй pieeiib кросполяризованого випромШювання, одночасну роботу в дек!лькох д1аназонах частот в окремих внпадках; вцзначатись техполопчшетю, змешиеними масо-габаритнимм параметрами та низькою варпстю. Розв'язання цих задач потребуе оптимйзацН характеристик елемент!в антенних сметем та пошуку нових техн!чних piuiciib, як> можуть стати альтернативою ¡снуючим за елсктродинамЫними або коиструкторсько-тсхнологЫшмн характеристиками.

Внпромшювач! у внгляд! круглых гофрошших хвилсводш та pynopie широко використовуються як полярнзацшно чист! опром1нювач! дзеркальннх антен. Але для них характер!!! складшсть виготовленнл та вцеока варпсть. Для деяких практичних застосувань конкурентноспроможмими поляриэац№|1о-)нвар|антиими випромшюва-чами можуть бути антенн lia ociiobí цилшдричннх метало-дклекгричннх пертдичннх структур з кмльцямн Вони визначаються малими поперёчнимк розм!рами, техполопчшетю. достатньою Широкосмупшстю, дозволяють досягати малих piBucii кросполяризованого внпромшюваиня.

Задачу суммцсия к1лькох> опром1нювач1в piaiiiix д'ипазошв в однш дзеркальнШ актам можна розв'язатп шляхом застосувашм частотно- та поляризашйко-сслектшших контррсфлектор!в, що иобудоваш на ociiobí плоско-шаруватих метало-Д1слсктрнчннх структур. Taxi одно- та багатошаров| дифракцшн! структур« з вибниаючимн слементамп рпних конф'|гуращй можуть бути використан) також для

створення .иггспних рсш!ток в!дбивиого типу, днохдйапазонних хвилевод!в та шших елсмент>в перспсктпнгтх аитепно-фисринх систем.

Персвагами истало-дклеет-ричних псрюдичннх структур е мала вага, техноло-г!чтсть. висока в!дтворюваи1сть параметров га ниэька варпсгь при матовому вмробнйцтв!.

АнаЛ1э та синтез метало-дклектрич них цилшдрнчннх внпромшюпач1В 1 плоско-шаруватнх дифракиШних структур можлитшй лише при наяпкост! достатньо точпих матсматнчних моделей, що розроблен! на основ! строгих постановок задач, коли виконуються точн| нежов! умови та використовуються строп метода розв'язапня крайовнх задач.

Необх1д1|1стъ створення адекватннх матсиатичних моделей цил!ндрнчннх внпром1Нювач1в I плоско-шаруватнх частотно-селектиаиих поверхомь на основ! Метало-Д1електричних структур, проведения чясловнх та експериментальних дослщ-жень 1хн)х характеристик внзначае актуальность ц!е! роботн.

Осаовн! методи Д0СЛ1Дженп>. При розв'язаиш задач днсерташТ були внкористаш вар!ац1йний метод часткових областей з урахуванням особливосп поля на ребр!, методи екв1валентног апертуре та перетворення Фур'е, методи момеггпв I спектрального анализу, аларат тензорних функцШ Грша, математичн) методи лншшоТ алгебри та векторного анал!зу.

Наукова новизна дисертацШно? роботи полягае у таких результатах:

1. Здобут) нов) роэв'яэкн внутр)шн!х I эовн!шн!х крайопих задач електродина-М1КИ для пипромшювач!в на основ! ахс!ально-симетричннх пер!одиЧ1шх'структур з к!льЦямн. У наближенн! нульово! просторе во! гармон)ки проведений аналЬ одержа-ннх дисперсШннх р!вняиь, на !йдстав1 якого визпачен1 типи хвнль, що пошнрюються в структурах. Для кожноТ 1з структур вперше у эамкнен!й форм! методом ¡нтегралу Фурь'с одержан! внрази для складовнх поля внпромнновання у далеюй зон!.

2. За допомогою розробленоТ математнчно! модел! та створсноТ програми одержан! частотн! залсжност! фаэовоТ швидкост! хвнль, що поширються у структурах, шйршт Д1аграми випром1иювания (ДВ) на р!вн! половннпоТ потужност! та р!вня кросполяризованого вилромЫювання в функц!Т в!д геометричких параметра пер!однчних структур ! матер! альних параметров магштод1електрик!в, що ааповНюють частков! облает). Досл!джена в!дносна эб!жшсть чнелових результате 1 вироблен! рекомендацп Щодо вибору к!лькост! базисних функцШ, внкорнстаннх для апроксимаци густини струм!в на к)льцях, та к!лькост! просторопнх гармотк.

3. Розроблена нова матемзтична модель плоско-шарувато! частотно-селективно? струкгури з рЬною геомстр!ею в!дбиваючих елемент!в, розташованпх на дек!лькох площинах. Эапропоновано для апроксимац!! густинн поверхневого струму на ! елементах нер^дично! структурн вккористовуватн базист функцй часткоппх областей у вигляд! суми кусково-синусоТдних функнШ. При цьому никорнстаи! моди, як1 апроксимують розпод1л поверхневого струму на елементарннх прошдпих д!ляиках прямокутноТ формн, що довьтыю оркнтоваш па площшп, та на Д|лянк,?х

складно! KomjiirypauiT у ннгляд! трнкутника з двома (або одним) присднаннмн до нього прямокутпнками. Одержан! пират для складових поля розыяння слсмен-тарно! нромдло? диянкн, яка доВ!льним чином оркнтована на площши. Доонджена збяжшсть числоних результат!!) та внроблеш рекомендаци щодо вибору конкретного виду базисных функцш для апроксимацп поперхпепого струму на елементах pcuiirKii та KUbKocrj складоних хвильового ciieicrpy (гармошк Флокс).

Практична цшшеть днеертацшпно! работа молягас в тому, то:

1. Створена програма "RINGA" слектродиналичного анал1зу нипромжюпачт на основ! першдичпих структур з кьтшямн, яку opicirrouaiio на внкорисгання персо-нальних комп'ютсрЫ, сумгашх з IBM PC/AT. У днеертацннпй робоп програму внкорнстано для одержання залежностей характеристик пошнренпя та випро-мпнования азнмутально-неоднорихних хвиль антснамн у вигляд1 вщкритого кнщя скранованого юльцевого хвилсводу з дклектрнчннм заповненям та д1елсктрнчного стержня, перюднчно навантаженога металжпимн кыьцями.

2. CTiKjpciiiiii комплекс програм "PARUS" для розрахунку характеристик дифракцп дошлыю поляризованих плоских електромалптних хвиль на багато-шарових М1.гало-Д1елсктричннх структурах з вшбнваючими елемептами нелрямо-ку.но! формн, як! розташоваш на деюлькох плотинах. Тополог1я в1дбнваючих слемснтш кожно! площппи задаеться моделюванням розгюд|лу новерхневого струму суперпозишею базисиих функцж часткових областей у вигляд1 суми кусково-ciiiiycowiHX функШй.

3. Обгрунтована методика вимфюеань, розроблений та створений цифровий автоматизованнй внм'фювальний комплекс для дослщжепня характеристик внпром'шювания 11оляр11зацншо-'швар1антних антен у сантиметровому дшшош хвнль. Розроблсна внмфювальна установка для експеримс1гтального визначення Koctfii iiiciiry нроходження електромагштиих хвнль у мстало-Д1слектричних дифраюойних структурах у сантиметровому диапазон'! хвиль.

4. Розроблст конструкци хвилеводного та зондового пристро!в збудження дюлектрнчно! стержньово! антенн, перюднчно павантажено! тонкими метал1чними мльцями. Хвилсводна схема забезпсчус узгоджения за рнжем КСХ 1,25 у 30% смуэ! частот. Прнстрп! збудження па ocuoBi двих зондш э протифазним жлпленям забезнечуе роботу у oiyai частот 40% за р!внем КСХ 2,0.

5. Розроблсш та внпробуваш д6сл!дш зразки антен поверхнево! хвил! з иоздовжньо-регулярпою tî ai 3MHIH0I0 по довжин! иипромшюпача геометрЫми структур. Схема збудження - - хвилеводна. Перший внпромпновач забезпечуе у дипазош частот 5,53...7,48 ГГц ширину .Гаграми випромЫювапня 17°...38°, максимал[>!iiiii pinciib кросполяризованого вннромшювамня -29...-23 дВ. Аптека, диметр яко! ступшчасто зменшуеться, мае у диапазон частот 5,3...7,8 ГГц ширину дшрлми винромшювання 20".. .31°, максималмшй piBeiib кросполяризованого винромшювання-32...-25 дБ.

6. Роэроблена коиструкцш поляри.тацшно-швар1а1гтпого частотно-селективного контррефлектора для дпохдзеркально! антенн .aiariaaoiiiii частот 3,7...4,2 ГГц / 10,9...13,2 ГГц. Контррефлектор мае в1дбнваюч| властивост! за рением -3 дБ у д|апазон1 частот 7,4...22,1 ГГц. HcpiBliOMipnicTb коеф!шенту вщбиття у fliaitaaoHi 10,9...13,2 ГГц складае -0,1 дБ. Проходження електромагштних хвиль за р!внем -3 дБ забезпечуеться у д!апазон1 частот 1...7.4 ГГц.

Реал!зац1я результатов робота. Результати дисертацШно! роботн використаш в НДР "Граната УВО", "Едельвейс", "В1-КП1-47-УО" та "Говерла", що були внксжан! та виконуються на кафедр| теоретичних основ рад1отехшки Кшвського псштехшчного ¡мституту.

АпроСац1я роботн. Ochobiií положения та результати роботи доповмались i обговорювались на I Всесоюзнш науково-техЫчнж конференцп "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов" (Кит, 1989 р.), VII Науково-техи1чно1 конфсренцп ДЗВРКУ "Перспективные вопросы получения и обработки радиолокационной информации и повышения надежности радиоэлектронных средств" (Дн1пропетровськ, 1989 р.), XXVI М1жгалузев1й наукопо-техшчтй конференцн з Teopií та TexHiKii антен (Москва, 1990 р.), Всесоюзному ceMinapi "Математическое моделирование физических процессов в антенно-фидерных трактах" (Саратов, 1990 р.), на. поспйному ceMiHapi. *Электромагн1тна cyMiciiicrb радиоэлектронных засоб!в" Харк1вського областного управл!ння ВНТТ ím. О.С. Попова (Харюа, 1990 р.) та на 15-ому м1жнародпому cHMnoaiyMÍ URSI 3 електромагн1тиоТ Teopií (С.-Петербург, 1995 р.).

Публ!каци. За матер!алами дисертац!? опублковано И друкованнх po6iT. Результати роботи в!дображен1 у 6 эв!тах з НДР.

Структура та об'ем дисертацН. Дисертац1йну роботу викладено на 117 стор1нках друкованого тексту, (люстроваио рисунками на 47 CTopiHKax та таблицями на 3 CTophiKax. Робота складаеться 1з вступу, чотирьох роздШв, заключноТ частинн та списку л)тератури, що включае 134 найменування.

СТИСЛИЙ 3MICT РОБОТИ

У вступЫй частин! визначеш актуальн! иерозв'язаш питания розробки та стп'орсння новнх внпром1нювач1в 3 ннзьким piniieM кросноляризованого випромнно-вання та створепня ун1версалышх математичннх моделей плоско-шарувтнх мстало-д!електричних дифракцШних структур з елементами р1зно1, у тому чнел! непрямо-кутиоТ, геометрп, сформульоваш мета та задач! дисертацН, наведен! ochobiií положения, uto подаються До захисту.

У першому роздЫ па п1дстав) анал!зу опубл1кованнх po6iT. л розрахунку осесиметричних ш|пром|нювач1в, ях! побудовам! на ociiobí нерюднчних структур було показано, що: 1) для яизначення власпнх хвнль i дослиаження Ixiii.nl дпспсрси в пср|Ьд|1чних структурах типу »¡дкритого дюлектричного стержня, нлнангаженого

гонкими меташчнимн юльцимн, та екралованого -кильцевого хпилеводу з /нелектричннм заповиеням дошльно застосувати вар!ашйний мегод частковпх областей з поздовжшм роз;йленпям, що дозволяе здобути достатиьо точш розв'язкн задач! навт. за доснть грубоТ апроксимашТ иол!в на мела подму та струьив на к!льцях; 2) для розрахунку поля вннромшювання у далекЩ зон! лояльно застосуватц штеграл Фур'е. При цьому роэнод!л поперечного електрнчного поля на плоскш апертур!, перпенднкуляршй П1с> пнпром'шювача, можна прнйматн таким, шо в!дпов!дае полю власно! пбрндно? хвнл! пер!одичноТ структур!!.

Лнал13 сучасного стану досл!джснь у галуз! плоских днфракцишнх структур дозволив зробнти оисновок, шо для розрахунку характеристик плоско-шаруиатих частотно-селективннх поверхонь доц!лыю поеднаги метод спектрального анал!зу з методом монагпв, у якому викорисговуються частков1 базиса! функц!Т. Таке поед-пання дае можлнв!сть створитп ушверсальну математнчну модель, в основу я ко! локладсно розв'язкн для групи базненнх елемент!в, 1 сукунннй розв'язок е суперпо-знцш розв'яз^ш для базненнх сегментних елсматв з урахувашшм Тхнього взаем-ного вплнву.

Другнй розд1Л прневпчено розробш теори шшромжюиачш на основ! акыалыю-сн. :етрнчш1Х пер!однчних метало-д!електрнчних структур з юльцями та числовому дослшжешно характеристик пошнрення та випромшювання хвиль цими структурами.

Загальний вигляд та позначення геометричш<х параметров перюдичннх структур наведено на рис. 1 та рис. 2.

2а

Рис. 1

2Ь

2а

Рис. 2

Розв'язок DiiyTpiiuiiboI крановоТ задач! слектродинамжн для дшлектртшого стержня, навантажеиого юльцями, та екранованого киьцевого хвилеводу з Д1йлек-трнчним заповненям здобуто napianiinniM мстодом часткопих областей у наблнженш перюдичносп структур, (деалььо! провщност! неск'шчепно топких К1лець та екрану, BWcyraocTi втрат у ¡зотропних однор!дпих д!елсктрнчннх еередовнщах, що запошпо-ють частков1 облает!. Обгрунтований виб!р базиеннх функцш, що апроксимують густпну поверхневнх CTpyMiB па К1льцях перюдичноТ структур». У наблнжеиш нульово! просторово! rapMoniKii проведений анал1з днсперсШиих ршнянь та виэна-чеН1 типи азнмуталыю неоднорщннх хвпль, що пошнрюються у структурах. Одержат паближеш аналт1Ч1ц розв'язки дисперсШннх ршнянь для азимутально-нсолнортшх хвпль ¡3 азимуталышм ¡»деком m=f на межах вмачкн цнх хвпль.

У паближеш пггегралу Фур'с В1д поперсчиих полт хвнль, що пошнрюються у пертдичних структурах з мльцямн, одержан! замкнет виразн для компонент1в поля випромшювашш в далекж 30111.

p.a Jm(kaaiin 0)

Е# = cos/иф £

Л 7

(р,а)' + (А0аsin О)2 (Msiад) (t,osiii 0) J„(k,psmd) (к^аsin О)' (p.a)I.(p.a)

•/.(<VJsm 0)

(p.a)1 í'Jp.a)

+ - p¿--Mw

' (Msin é) (p.a)' +(Vs¡nO) (q.a)'

(Л")

(-1)"

f- • ^ í. 0.a J.(k,aüae) „ iLi

--sinmS> cose¿\{A yí-ü-rrm ° . , + В,-—

(p.a)1 (k,asmO) " (p.a)'+

¿„o/W /.(y sing)

(/tjasinf)2 (k,as\ne) (fc0asin 0) Sjkaa sin 0) (к„айпО)' (p.a) í'Jp.a)

Jjk^aimO)

(p.a)1 ¡.(P.")

P.a JJkjtúnO) „

-г —¡-;—?--íí.

" (q.a)' (Vi«f) "" (q.a)1 + (*0astnO): Для д1електричпого стержня перюдично навантаженого к1льцямн :

г

(-0*;

/„(¿„asín 0) (к„аш 0) /.(Ayjsin о) (k,aúnO)' (q.a) К.(q.a)

(k,atiad) JjksaúnO) (q.a)1 Kjq.a)

/.(¿„asín в) * (*,as¡n0)

Jjk¿asmO)_ (кцИ sin 0)

(Jt,asin в) JJk^iún 0) (к,аsin Ó)' (q.a) K'Jq,a)

y.(Msine)

(q.a)' Kjq.a)

Для екранованого к!льцевого хвилеводу з дтлектрнчним заповненям: х-

(КЬътО) , ,, ^x.(q.b.b) Uk**>A

(1)

(2)

fUoasinffl/.U.asintf) | (k^iinof (?.д) ДГ.(?.д,*)'].

'[ + («.«)' JГ.(«.«.4) )'

Г* (VtinOJ Zjq.a.b) ~ (t^suit») '

Я,Ь , .... Z.U.b.b) 7.(M»nfl) f -"-./.(Msuifl) _ i —rc - -TT—7—3- * «,o Zm(q,a,b) (Vuni)

f(it.asuiC)y.(VtinC) + (Atting)' (q.tf) Z.(g.a.t)) ■/„(i.flSinC) + („,„)' Z,{q,a,b) ]■

Тут: А,, Л., С, и D, - амшнтуди просторов»* rapMoiiiK поля, J.(z), Jm(l) - функция Веселя першого роду т-го порядку та П помдна по аргументу, /.(?), Ка($). i.UK ^„(О- модифтован! функш! Беселя першого та другого роду »1-го порядку та ix noxiAiii по аргументу, Хт(ц), Zm{q), Хт(>}), Zm(tj)- комОнацн функшй Беселя та Тх похщн! по аргументу;

л' =Ä-*i;

К = = = 4^.

Ао

де - довжнна хвил! у выыюму простор!; ßt - <)шоиа постшна нульово! просторово! гармонши; т = 0, 1, 2... - азимуталышй шдекс; п - 0, ±1, ±2,...- номер просторово! гармошки поля.

На основ! розроблених математичиих моделей створена програма "RINGA" для ана.1 i3y характеристик поцшрення та випромшювання електромагштних хвиль першдичними структурами обох титв. Через поршияння чнелоонх та експеримен-талышх результат ouiticua точЫсть моделей та визмачсн1 меж! Тхнього застосунання.

Досл1Дже1м характеристики поширення та випромшювання перших трьох пбридних хвиль з m-t иипромйновача у виглял1 вщкритого кшня екранованого киьцевого хвилеводу з дшлектричпим зановненям. При цьому ынямлено, що шляхом шдбору гсометрп випромнновача та значения дклектрично! проникност! серсдовищ всередиш юлець та в облает! М1Ж скрапом та кмьцями мджа забезнечити однохви-льовий режим роботи . випром1шовача на кожнш !з цих хвиль. Для робота на майбМьш довгохвнльо»|й з пом1Ж них сл1д вибнрати значения виношення диметра скрапа до дшметра млець* в1д 2 до 7. При цьому можуть бути досягнут!: смуги робочих частот В1Д 40% до 100%, максималышй р'тень кросполиризашйннх ne.iucTKiB мспший за Minyc 00 дБ у смуз! частит 20%, а ширина Д1аграмн випромшювання за р>внем половинно? потужиост! - н1д 80" до 50". Як робочу можпа використопунати також хвнлю НЕ' (£W,,), але у тому д'шпазош частот, де не поширпсться хвиля El/,, (НЕ"). При цьому можна одержат у смуз! частот 10% pineiib кроснолярнзованого випромшювання меншнй за Minyc 25 дБ.

Дослоджеш частотнi залежност! фазово? швндкосто поиерхнсио! xnii.ii, максимального pinMfl кросполяризованого випром(нювання та ширинн ДВ на ociioninii поляризаш? в1д геометрнчшох параметр'!» та д'|слсктрнчно! проникиост! несучого стержня д!електричноТ антенн, перюдично навантажено? кольцями. Внявлсно, що для створеиня аптек, як! мають робочу смугу частот 25. ..30% э максималышм рi пнем кросполяризованого випромшювання не большим за мшус 25 дБ, необх!дно викорнс-товувати для центрального стержня д1електрнк з вщносною пронпктстю не 6Lii>iue 3,0 , а значения ондношення ширинн юльця до перюду структури не повинно нереб1лыиувати 0,4. Ннэпачною перевагою випромнновача у вигляд) навантажсиого тонкими юлыоями л'електричного стержня е малий ноперечннй poaMip - близько чверт! довжинн xuii.ii.

За сукушнстю ел ект родинам ¡чн их та тсхнолопчних характеристик ;иелек-трична анте>1а,моавантажсна тонкими метал1Ч1шми юлыоями, може бути иикорнстана як полярнзацжпо-швар!антний випромшювач середнього пшеилення. Випромшювач у вигляд! шдкритого кншя екрапованого кмьцевого хвнлеводу е конкурентно спроможннм як НоляризацШно чистий опромпповач дзеркалышх антен. Випромшювач! обох тип|в можуть бути застосоваш як елемеитн ФАР та АР э керованою поляризащею.

У третьому роздШ в наближенн! пертдично! структури з використанням методу momchtíb та методу спектрального анал!зу розроблепа математична модель ллоско-шарувато? частотно-селективно? поверх»! (ЧСП) з вщбиваючими елементами piano? конф|гурац|1, розташованими. на к!лькох плотинах. При розв'язашп задач! дифракцп електромагштних хвиль на багато-шаруватш ЧСП застосований апарат тензорннх функцш Гр1 на для плоско-шарувато? облает! з розкладенням полш по Е-та Н-хвилям. Обгрунтований внб!р частковнх базнсинх функшй для эавдання розпо-д!лу поверхневого струму па прогндних елементах перюдично? структури. В матричной форм! одержан) внрази для узагальненнх косф!ц!ент!в водбнття та проходження довольно поляризовано? хвил!.

Металод!електрична структура, що досл!джувалась (рис. 3), складаеться з N шаров, пе обмеженоох на плооцш! ху. Кожний ¡3 luapiu характернзуеться комплексною д!електричною е, та магштиою fiñ проинкшетю. Нижня межа кожного шару опнсуеться координатою cln. ОстаннШ шар може бути або обмеженим ¡деаЛьно про-в!дним скрапом, або простягатись у неск1нченн!сть по координат! г. В структур! е М ПЛ01ЦИН з водбиваючнми нескшчеино тонкими ¡деалыю пргапдннми елемеигамн. Роэташування цнх площии описуеться координатами z = Z„, дс m = 1...AÍ.

[нтегральн! р!вняння для слектричних струм!в, що наведен! 3obhíhihím!i джере-ламн на поверхн! ¡деалыю проыдннх водбнваючих e.ieMeirriu, одержан! з використанням штегралыюго зображенпя поля розешвання та межопнх умов для тан.сновал ышх складовнх електрнчного ноля на поверхш елементш реш!тки.

/ 1 уГ О, (И и

Б* Ц» Площина 1 К в! V

Ез. Из Площнмо2

_

Бп-1. Цл-1 V,

Е». (и / Ллощима М А. ,

Рис. 3

Для розв'язапня снстеми штегралышх ршнянь була застосована процедура методу Гальоркша. У результат! одержана система лпшшнх алгебра!чних равиянь

гг = у, (з)

у якш елемептн матрнш 2 являють собою опори взаемозв'язку./-то! моди струму на плотин! $ я V-тою модою на площнш т 1

(4)

б, ьт. '

дс = - компонента функцн Грша у спектральшй

облает!, г.,,, гМ) та гти, гт1г е проекциями векторов гы> г„г, що описують параметрн диом|рио1 ренптки, у вузлах яко! знаходяться в1дбкваюч! елементи, кх(з,р,д) I ку(з,р,д) - х- та у-складов| днекретних хвильовнх чисел, ^[лДя./з.д),*:,^,/>,?)] та Рту[-кж{1,р,(1),-кг(з,р,дЦ - Фур'е-трансформанти базисних функцж, що апрок-

снмують рознод1Л струму моди у на площшм $ та моди V на площиш т, ЯК1 мають гсометричну ширину та ¿„,, вщповщно. Права частина системн ршнянь (3)

оннсус слектрорунпйпу силу зовшшнього поля, що збуджуе структуру,

= (5)

Тут к„ \ кп - складов! хвильового числа падаючо! хвиль

Модслювання розпод1лу поверхневого струму па в1дбиваючих слемептах кпжно! площшш здшснюсться супсрпознцшю базисних функцш часткових областей у пнгля.п сумн кусково-сипусоГдних функшй. При цьому эастосовано модн, ям аироксимують рпаппдь! поверхневого струму на елементарних пров1дних дыянках прямокугио! форми, що довЦыю оркнтоиаш па площшп, та па д1лянках складно! конф|гурац|1 у внгляд! трикутника з двома (або одним) приедпаними до иього нрнмокутниками.

На основ! одержано! модел) побудований алгоритм 1 створена програма розрахунку дпфракцм електромапптиих хвнль на плоско-шаруватих ЧСП. Програма дозволяе розраховуваги комплсксш лекторш характеристики коефшотв В1дбнття та ироходження як функцп частоти, кут!в падшня хпил1, геометрн видбнпаючих слсмен-тш та матср1алытх парамстр|в багатошарового д1електрнчиого ссрсдовшца. Дослщ-жешш за'яэок точносп та зб1жност! чнслоппх результапв ¡э вибором баэнсннх функцш, 1цо апроксимують розподи поверхнеиого струму на гпдСшишочмх елемен-тах. Результат!! числових дослтджепь вказугать на можлшисть оптнмпацп них структур за електродипам1чнимн, конструкти[1ннмн та технолопчнимн критериями шляхом вар>ашн параметра! нлоско-шаруватоТ д1слсктрнчно! структурн, геометри в|дбипаючнх елементш та к1Лькост1 нлощин, на яких розташоват ц! елсмсити.

У четвертому роздш обгрунтованин виб!р методики аитешшх вим'фювань. Описаний цифропий автоматизоваипй комплекс, то був спсчиально створсннн для дослижения характеристик внпромшювання поляризацшио-швар1апт1ШХ антеи у безлушйн камер'|, внутрпиня поверхня якоТ нокрита радюпоглипаючпм матер1алом, шо забезпсчуе вщбнття не б1Л1.ше -35 дБ у сантиметровому диапазон! хвнль. До складу комплексу лходять вшпрювалышй лрецизмпшм прнймач, блок обробки шформаш! та блок автоматики. Дпиамшшш /иапазоп вим'фювань 0...-40 дБ, то дозволяе дослижувати аитени з ннзькимн ршнями боковнх пелюсткш та кросполя-ризоваиого випромшювання. Точшсть ¡пд.пку по куту ±0,1°.

Вибрана метод!1ка вим|рюваш> та роэроблена установка для експернменталь-ного визиачення коефМенту проходження хвиль через метало-д1слсктричн1 днфрак-цшш структур« у Д1алазон1 частот 2...18 ГГц. Д1апа;шн вим]'рювання косфнпенту проходження 0...-40 дБ.

Наведен! результат!! розробки та шшробупання консгрукнш хвилеводшио та зондових прнстроТв збуджения дшлсктрнчноТ стержньово? аитени, псрюдичпо паван-тажено! тонкими мстал1чнимн кМьцями. Хвилеводиа схема забезпсчуе узгоджения за ршнсм КСХ 1,25 у смуз! частот 30%. Присгрш збуджения за допомогою диох зопд1в з протифазним жнвленням забезпечус роботу у смуз1 частот 40% за ршнсм КСХ 2,0.

3 викорнстанням модел! випромшювача у пигляд! /пелектрнчного стержня, перюдично навантаженного метал1чннми юльпями, були створеш дна дослиних зразки антеи поверх! гево! хвнль Перший зразок розрахопаннй на роботу у 30% смуз! частот (/ = 5,53...7,48 ГГц). Його геометрш в1Дпов1лас матсматичшй модел¡. Пр)1стр!й збуджеш!Я - хвилеводтш. Довжмна вмлромшюючо? структур» 250 мм, Я дЬмстр 10 мм. Д1електрична проникнуть опорного стержня с, = 2,2 (фторопласт). У всьому робочому /паиазон! частот цього зразка ширина ДВ за ршнсм половинноТ иотужност! змшюеться вщ 17° до 38", максимальный ревень кросполярияованого вииромшюоання - вид мшус 29 дБ до мшус 23 дБ. Другии зразок внпромшювачл :п змишнм по довжц1м проф!лем у смуз1 частот 5,6 ..7.8 ГГц мае ширину ДВ 20"...31", ршень кросполяризованого випромшювання менший за мшус 25 дБ та мшус 30 дБ у смуз| частот 6,4...7,3 ГГц.

3 викорнстанням роэроблено! математично! модел! плоско-шарувато! метало-Д1слс1сгрич1ю| дифракн!йноТ структур» створений частотно-селективний контррефлектор для дзеркалыга! антенн Д1апазоН1в 3,7...4,2 ГГц / 10,9... 13,2 ГГц. Контррефлектор склщаеться з п'ятн д!електричиих inapto i мае д!аметр 120 мм. Форму в1дбпваюч>1х слсмспт1в вибрано такою, що забезпечуе поляризацшну limapiajmilcTb властивостей, зменшення залежност! характеристик ЧСП в!д кута падения xbh.ií та зб'|.тьшсння смугн частот вибиттг. За результатами роэрахунтв контррефлектор мае вщбкваюч'! властивост! за piBiieM -3 дБ у смуз! частот 7,4...22,1 ГГц, а за pÍBHCM -0,1 дБ - у смуз! частот 9,8...14,6 ГГц. Проходжсния електрймагн1тних хвнль за р^инем -3 дБ забезпечуеться у смуз! частот 1. ..7,4 ГГц, при цьому пср1виом!ршсть характеристики повного проходження у смуз! частот 3,6...4,2 ГГц доршнюе -0,4 дБ.

У заключи!» частим! сформульоваш ochobhí результати днеертаци та зроблен! висновки про можлив1 сфери Тхньою застосування.

OCHOBHI РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. У наближенн! перюднчпо! структур)!, неемнченио мало! товгцнии к!лець, 1дсалыюТ проЫдност! метал1чних поверхонь та вщсутност! втрат у д!електриках BapiauíHHHM методом часткових областей з урахуоанням особливост! поля na pe6p¡ одержаний новин розв'язок задач! поширеиня елсктромагн!тних хвиль у екраиова-ному юлъцсвому хвилсвод1 з д!електричним заповисням та над д!елекгричним стержнем, наваитаженкм к1льцями. У наближенн! нульово! просторово! гармошки проведений аналЬ одержаних дисперсШних р!вшшь та визиачен! типи азимутально-нсодпор1Дш|х хвиль, ям поширюються у цих структурах. Методом ¡нтегралыюго перетворення Фур'е в\д поперечного неэбуреиого ноля пертдично! структур* вперше для кожко! 1з структур одержал) у замкненому вигляд! вирази для компонентов поля вннромшювання у далек!й зон!.

2. Для анал!зу випромшювачт на основ) акс!ально-симетричних пср!одичних структур з к!льцями за розробленою математичною моделлю побудоваиий алгоритм та створена нрограма на мов! ФОРТРАН 77, яка ор1снтоваиа на IBM РС/АТ-cyMiciii комп'ютери. Досл1джеиа в1дносна зб!жи!сгь числових результата та виробле-н! рскомсидацм щодо вибору к!лькост! базисних фуикцШ, що алроксимуетгь розпод)-ления струм i в на мльцях, та млькосп просторових гармошк поля, як! повинн! бути врахопан). Досл!джет диспсрс!ки! характеристики хвиль, то поширюються, ширини д!аграми випромшювання на оснопшй поляризаци на pÍBiii половжто! погужносг! та piuiii кросполярнзйпаного випромшювання в функш! в!д геометричних параметрш нершднчних структур i матер!алышх парам стр!в магн!тод!електрик!в, що заповню-ють часткоп! оЛласт!. Результати досл!джснь характеристик поширення та випром!-нюп.шия аз11мутал1>но-псоднор|д1Шх хвнль наведен! у вигляд) графпних залежнос-тен, як! можуть бути внкористан! для нроектування таких-антам.

3. Розроблен! та випробуваш конструкт! хвилеводного та зоидового пристроТв збуджения дклектрнчно! стержньово! антенн, пер!одично навантажено! тонкими шльнями. 3 викорпстанпям розроблених математично! модел! та програмпого забез-печення створен! дос.-идн! зразкн антен поверхнсвоТ хпил1 з регулярною та зммшою по довжшп шшром!нювача геометр!сю ¡ипедансноТ структурн, як1 (пдзиачаються низькнм р|внсм кросполяризованого випромШювання.

4. У наблнженш нерюдично! структури, неекпгченно мало! товщини та ¡деаль-ноТ провщносп 1идбнваючих елемент1в методами моментШ та спекгралыюго атшпзу о.чержлшш розв'язок задач! дифракцм плоскоТ дов!Льно поляризовано? електромаг-штноТ хвил1 на илоско-шаруватпЧ частотно-селектлший поверхш з р1зною гcoмcтp¡eю вибинаючнх елемснт1в, як! розташоват на дсюлькох плотинах.

5. Па основ! створено! ун1псрсалыю! математично! модел! розробленнй комплекс програм на мов1 ФОРТРАН 77 для розрахунку характеристик дифракцИ довольно поляризованнх електромагштннх хвнлн на багатошарових метало-д1елек-тричних структурах з вибипаючими елементами р!зно!, у тому числ! непрямокутно!, геометрИ. Дослижено питания зб1жносп числових результат^ та вироблеш загалыи рекомендаци щодо внбору конкретного виду базнсних функцШ та к!лькост! складо-вих хвнльового спектру, як! новннш бути враховаш. Одержат числов! результат» шдтперджують точность модел! та !Т придатшеть для анал!зу та синтезу складних частотно-селектнвних структур. Результат числових дослщжень вказують па мож-лив'|сть оггтимЬаш! таких дифракцшних структур за електродниаминими та кон-структивно-технолоНчннмн критер1ями через пар1ащ! параметрш д1електрнк!в, гео-метрп п)дбнваючих елеме|тв 1 к1лькост| плотин, на якнх ш слементи розташоваш.

6. 3 викорнстанням створеного комплексу програм розроблеиа конструкшя поляризаЦ1Йно-п1вар1аитиого частотно-селективного контррефлектора з розширсною смугою вщбнття для двохд!апазоиноТ осеснметрично! дзеркалыю! антенн. Спроекто-ваний контррефлектор е п'ятишаровою дюлектричною структурою з вЬабнваючнмн елементами, розташованими на двох площииах.

7. Обгруитований вибф методики вим1рювання та розробленнй цифровий автоматизований комплекс для дослщження характеристик внпрохшювания нолярн-зац1йно-Ывар|антних антен у сантиметровому д1апазои! хвиль. Розроблеиа установка для експерименталыюго визначення коефщ!ента проходжепня метало-д!еле1Стрнчних днфракшйпих структур у сантиметровому диапазон! хвиль. Проведеие скспернмеи-тальне досл1дже!шя д1аграм випромпповання розроблених антен поверхиево! хвил1 на основн!Й полярнзаш! та на кросполярнзацп.

8. Основн! результати дисертацШпо! роботи були пикпристан! та пиров,ижеш в НДР Траиата-УВО", "В1-К111-47-УО", "Едельвенс" та "Говсрла", яки проводилися на замовлення ПВО ¡м. Плешакова (Москва), СПП при Пролили НЛП Укрлнм та ЛКНТ УкраТнн. Математичн! модел1 та профамие забезнечеиня, як| булн ролрнблпп И диссртацп, можут1| бути си корнетам! при створснт систем лптпмагн.тпанпгп 'ргктугапнл антенн ПВЧ.

СПИСОК РОБ1Т, ЩО БУЛИ ОПУБЛ1КОВАН1 ПО ТЕМ! ДИСЕРТАЦП

1. Дубровка Ф.Ф., Пантов B.C. Излучение электромагнитных волн цилиндрическими кольцевыми антеннами // Радиоэлектроника. - 199t. - Том 34 -Jv»5 - С. 44 - 49. (Изв. высш. учебн. заведений)

2. Дубровка Ф.Ф., Исхаков Б.С., Ленивенко В.А., Пантов.В.С., Степаненко П.Я., Юдин Л.И, Спецтема. - М.: 1990.

3. Дубровка Ф.Ф., Пантов B.C. Излучатель в виде открытого конца экранированного кольцевого волновода // Радиоэлектроника. - 1993. • Том 36 ->¿11 - 12 - С. 3 - 17. (Изв. высш. учебн. заведений)

4. Aroudaki H., Pantow W„ Eibert T., Hansen V. Spektra/bere¡chunify*e pleurer frequenzselektiver Schirme mit nichtrechtwinkligen Leitungsgeometrien // Frequenz • 1994 -Band 48 - Heft 11/12 - S. 586 - 290.

5. Пантов B.C. Расчет многослойных лланарных частотно-селективных структур // Радиоэлектроника. - 1995 - М»2 - С. 3 - 11. (Известия высших учебных заведений)

6. Дубровка Ф.Ф., Пантов B.C., Ленивенко В.А., Донцов А.Н., Дымко A.M., Оииснмов Ю.В. Цифровой автоматизированный комплекс для исследования характеристик излучения антенн // I Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов": Тез. докл. - Киев, 1989, С. 159.

7. Пантов B.C. Лабораторный цифровой автоматизированный комплекс для исследования характеристик излучения антенн с управляемой поляризацией // VII Научно-техническая конференция ДВЗРКУ "Перспективные вопросы получения и обработки радиолокационной информации и повышения надежности радиоэлектронных средств": Сб. материалов -Днепропетровск, 1989, С.26 - 27.

8. Донцов А.Л., Дубровка Ф.Ф., Дымко A.M., Куприй A.M., Ленивенко В.А., Пантов B.C. Лабораторный комплекс для исследования характеристик излучения антенн // XXVI Межотраслевая научно-техническая конференция по теории и технике антекп: Тез. докл. - Москва, 1990» С. 3.

9. Дубровка Ф.Ф., Пантов B.C. Анализ характеристик распространения и излучения гибридных электромагнитных воли цилиндрическими кольцевыми антеннами. // Всесоюзный семинар "Математическое моделирование физических процессов в аптеппо-фндерных трактах": Тез. докл. - Саратов, 1990, С. 27.

10. Дубровка Ф.Ф., Пантов B.C. Анализ и синтез диэлектрических антенн с металлическими кольцами // XXVI Межотраслевая научно-техническая конференция по теории и технике антенн: Тез. докл. - Москва, 1990, С. 22.

11. Aroudaki lt., Hansen V., Pantow. W. Efficient design of mitltilaycrcd FSS taking into account effects of different periodicities and arbitrary incidence angles..// In: Proc. of the 15-th Int. Symp. on Electromagnetic Theory, St.. Petersburg. Russia, lW.->. 1>. 591 - 597.

16 tSV

il-

Пактов B.C. Излучатели и частотно-селективные поверхности на основе периодических металло-диэлектрических структур, рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07. - "Антенны и устройства микроволновой техники", Национальный технический университет Украины "КПИ", г. Киев, 1996.

Разработаны математические модели, проведены численные и экспериментальные исследования цилиндрических излучателей и плоскослоистых частотно-селективных поверхностей на основе металле диэлектрических периодических структур. Впервые получены в замкнутом виде выражения поля излучения в дальней зоне излучателей на основе аксиально-симметричных периодических структур с кольцами. Полученная модель частотно-селективной поверхности отличается универсальностью, позволяет исследовать многослойные структуры с различной геометрией отражающих элементов.

С использованием^ разработанного программного обеспечения созданы экспериментальные образцы антенн поверхностной волны, отличающиеся низким уровнем кроссполяриэованного излучения. Спроектирован частотно-селективный поляризационпо-инвариантный контррефлектор с расширенной полосой отражения для диухднапазонной зеркальной антенны.

Pantov W.S. Radiators and frequency selective surfaces based on periodic metallic dielectric structures, manuscript.

Ph.D. thesis. Speciality - 05.12.07 Antennas and microwave devices. National Technical University of Ukraine "КрГ, Kyiv, 1996.

Mathematical models have been built and numerical and experimental investigations of cylindrical radiators and multilaycred frequency selective surfacrs based on periodic metal-dielectric structures have been carried out. For the first time presentations of radiation fields in far field region for antennas built on axially-symmetrical periodic structures with rings have been obtained in closed form. The model of frequency selective surface is universal and permits to predict characteristics of multilayered structures with various patches geometry.

The developed software has been used to design the surface-wave antennas with low crosspolarization levels and frequency selective polarizations) ly invariant subreflector with extended reflection frequency band for dual-band reflector antennas.

Ключов! слова: акс1ально-симетричний випромшювач, частотно-селективна поверхня, плоско-шарувата структура, метало-дклектрична структура.