автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Конструктивный синтез пассивных антенных решеток

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский технический университет сеязи и информатики

На правах рукописи

ЕФАНОВ АНДРЕИ АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 621. 396. 67

КОНСТРУКТИВНЫЙ СИНТЕЗ ПАССИВНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК 05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре "Радиотехнические устройства" Львовского политехнического института.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор

ЧАПЛИН Анатолий Федорович

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор

ТЕРЕШИН Олег Николаевич

- кандидат технических наук, доцент

НАДТОЧЕЕВ Анатолий Иванович

Ведущая организация - НПО "Энергия"

(г, Калининград, Московская обл.)

■■ гаоиА 1992 года в ^^^Чс

Защита состоится "а " ньигих. 1992 года в часов

на заседании специализированного Совета К118. 06. 05 при Московском техническом университете связи и информатики.

Адрес университета: 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, 8а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " 1992 года.

Ученый секретарь специализированного Совета ^Ъг $

К118.06. 05, к. т. н., доцент ^^^^¿^^Верепдеева Т.е.

• • 3

{

■Р г;к_.:!

"'Актуальность темы. При разработке современных радиотехнических систем'необходимо обеспечить ряд требований, которые являются, в общем случае, противоречивыми: электрические и массо-габаритные характеристики, надежность, стоимость и другие.

Одним из возможных путей решения поставленной задачи (или ее части) является использование в качестве антенн пассивных антенных решеток (ПАР) , которые характеризуются конструктивной простотой, имеют низкую стоимость, высокую надежность и обладают широкими потенциальными возможностями для реализации различных электрических характеристик. Однако, проектирование ПАР сопряжено с существенными трудностями. Это обусловлено, в первую очередь, сложным характером электродинамических связей между элементами решетки и их взаимовлиянием друг на друга

Полузмпирические методы проектирования антенн данного класса являются малоэффективными. Применение быстродействующих ЭВМ открывает возможность существенного повышения качества проект. -рования путем использования вычислительных методов конструктивного синтеза ПАР, при которых по задаваемым электрическим характеристикам могут быть найдены все электрически значимые геометрические размеры антенны. Обзор исследований, ведущихся в данной области, приведен в первой главе. При этом показано, что ряд актуальных задач конструктивного синтеза антенн остаются нерешенными.

В связи с этим, важной и актуальной задачей является разработка высокоэффективных методов, алгоритмов и программ синтеза пассивных антенных решеток, а также исследование с их помощью потенциальных возможностей антенн данного типа. ч

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка высокоэффективных методов, алгоритмов и программ синтеза ПАР следующих типов: пассивных вибраторных и щелевых решеток, используемых для обеспечения пространственной развязки между близко расположенными антеннами, директорных антенн (ДА), вибраторных антенн обратного излучения (ВАОИ); разработка с их помошью конкретных антенных устройств; исследование потенциальных возможностей ПАР указанных типов.

Основные задачи исследования включали следующее: разработка математических моделей пассивных вибраторных и щелевых развязывающих структур, разработка метода их конструктивного синтеза,

реализация его в виде алгоритмов и программ, . синтез ряда структур пространственной развязки, экспериментальные исследования их характеристик; разработка метода конструктивного синтеза ДА и ВАОИ с последующей реализацией в виде алгоритмов и программ, исследование потенциальных возможностей антенн данных типов, синтез ряда антенн, предназначенных для использования в системах телевещания и космической связи, экспериментальные исследования чх характеристик.

Мзтоды исследования. При решении поставленных в работе задач для анализа характеристик ПАР использовался метод интегральных уравнений. Для синтеза ПАР использовались методы численной оптимизации. Программная реализация разработанных алгоритмов осуществлялась на персональных ЭВМ типа IBM PC с использованием языков программирования Фортран и Си. Проверка результатов анализа и конструктивного синтеза ПАР производилась путем сравнения ' с экспериментальными характеристиками макетов синтезированных антенн, а также путем сравнения с известными результатами.

Научная новизна. При выполнении диссертационной работы впервые получены следующие результаты:

1. Предложена математическая модель пассивной вибраторной развязывающей структуры, разработан численный алгоритм синтеза таких структур, создан пакет программ, позволяющий проектировать вибраторные развязывающие структуры на персональных ЭВМ.

2. Предложена математическая модель пассивной щелевой развязывающей структуры, разработан численный алгоритм синтеза таких структур, создан пакет программ, позволяющий проектировать щелевые развязывающие структуры на персональных ЭВМ.

3. Получены расчетные и экспериментальные результаты синтеза вибраторных и щелевых развязывающих структур, демонстрирующие эффективность предложенных численных алгоритмов.

4. Предложен метод многокритериальной оптимизации ДА, позволяющий проектировать антенны этого класса по заданным на сетке частот значениям коэффициента направленного действия (КЦЩ, уровня боковых лепестков (УБЛ), входного сопротивления, коэффициента стоячей волны (КСВ) в фидере питания. Создан пакет программ, позволяющий проектировать ДА на персональных ЭВМ. Получен ряд конкретных инженерных результатов, часть которых проверена экспериментально, демонстрирующих эффективность предложенных ал-

горит MOB.

Б. Предложена электродинамическая модель ВАОИ, разработан численный алгоритм синтеза таких антенн, создан пакет программ, позволяющий проектировать данные антенны на персональных ЭВМ.

Практическая ценность результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы конструктивного синтеза структур пространственной развязки, ДА и ВАОИ были реализованы в виде пакетов программ для персональных ЭВМ типа IBM PC. Указанные программы, предназначенные для автоматизированного проектирования ПАР, в настоящее время эксплуатируются в различных организациях страны, в частности, в НПО "Энергия" (г. Калининград, Московская область).

На Всесоюзном конкурсе на лучшую программу для решения задач электродинамики и антенной техники (Москва, 1989-1990 гг.) разработанная автором программа "Феникс", предназначенная для проектирования ДА, 'заняла призовое третье место.

Директорный облучатель, синтезированный автором по предложенной им методике, был использован в НПО "Энергия" при разработке облучающего устройства двухзеркальной бортовой антенны. Соответствующий акт о внедрении результатов диссертационной работы приведен в приложении.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:

- Всесоюзной конференции "Теоретические и прикладные вопросы разработки и эксплуатации систем автоматизированного проекти-' рования радиоэлектронной аппаратуры" (Славск, январь 1986);

- региональном научно-техническем семинаре "Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике" (Челябинск, сентябрь 1989); ' '

- Всесоюзной научно-технической конференции "Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация проектирования " и измерений" (Казань, июнь 1990);

- Всесоюзном научно-техническом семинаре "^тематическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза ан-тенко-фидерных систем и их элементов" (Ростов, апрель 1990);

- Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости (Улан-Удэ, июль 1990);

- региональной научно-технической конференции "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, эксперимен-га

тальные исследования" (Ленинград, июнь 1991);

- Всесоюзной научно-технической конференции "Устройства и методы прикладной электродинамики" (Одесса, сентябрь 1991);

- республиканской конференции "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости" (Винница, сентябрь 1991);

- республиканских семинарах "Электродинамика и техника СВЧ" (Львов).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста, включая рисунки, графики и таблицы на 52 страницах, списка использованной литературы из 80 наименований на 8 страницах и приложения с актами внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный метод конструктивного синтеза вибраторных и щелевых развязывающих структур позволяет улучшить естественную развязку между близко расположенными антеннами при заданных ограничениях на изменение формы их диаграмм направленности (ДН).

• 2. Предложенный метод многокритериальной оптимизации характеристик ДА позволяет проектировать антенны данного класса по заданным на сетке частот требуемым электрическим характеристикам и реализовывать, в частности, двух- и трехчастотный режим работы ан?енны.

3. Предложенный метод конструктивного синтеза ВАОИ позволяет проектировать антенны данного класса по заданным на сетке частот требуемым электрическим характеристикам и дает возможность, в частности, существенно повысить КВД ВАОИ за счет использования настроенного плоского вибраторного экрана.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность разработки методов конструктивного синтеза ПАР, сформулирована цель диссертационной работы, положения, выносимые на защиту, представлена краткая аннотация основных результатов исследования и содержание диссертации по главам.

В первой главе приведен обзор литературы по тематике диссертации, описан метод интегральных уравнений для анализа характеристик вибраторных и щелевых пассивных антенных решеток, расс-

мотрены основные этапы решения задач конструктивного синтеза антенн при помощи методов численной оптимизации.

Обеспечение электромагнитной совместимости медцу несколькими радиотехническими системами, установленными на объекте ограниченных размеров, является важной и актуальной научно-технической задачей. Один из путей решения поставленной задачи состоит в улучшении пространственной развязки мевду близко расположенными антеннами путем размещения мевду ниш различных развязывающих структур.

В работах Терешина О. Н. впервые была показана возможность улучшения развязки между двумя щелевыми антеннами при помощи ребристой структуры, расположенной между щелями. Рассматривалась двумерная задача в импедансном приближении; развязывающая структура имела чисто' реактивный поверхностный импеданс.

В работах Вакнгга X С., Замотринского В. А. исследовались частотные свойства импедансных развязывающих структур.

В монографии Терешина О. Н., Седова Е М., Чаплина А. Ф. рассмотрены возможности синтеза структур пространственной развязки на основе импедансных поверхностей с переменным по длине чисто реактивным импедансом.

В работах Кюркчана А. Г. , Свистунова Г. А. , Зимнова М. X. рассматривалась двумерная задача о взаимной связи еолноводных решеток, а также открытых концов плоскопараллельных волноеодое. В качестве развязывающей структуры рассматривались полоса магнито-диэлектрика с потерями, а также ребристая структура. Задача анализа была сведена к интегральному уравнению первого рода относительно распределения электрического поля в апертурфс волноводов.

В работах Ломухина Ю. Л , Чимитдоржиева Н. Б. теоретически и экспериментально исследовались развязывающие свойства экранов и плоских поперечных и продольных проводящих пластин различной формы, размещаемых мевду антеннами.

В перечисленных вше работах авторы неоднократно отмечали, что наличие развязывающей структуры, наряду с улучшением развязки, приводит к существенному изменению характеристик (в первую очередь, ДН) приемной и передающей антенн.

В связи с этим, большой практический и теоретический интерес представляет исследование возможности синтеза развязывающей структуры, которая бы обеспечила улучшение развязки мевду антен-

в

нами при фиксированном максимально допустимом- отклонении ДН приемной и передающей антенн относительно заданной Их формы в требуемой полосе частот.

Оптимизация характеристик ДА рассматривалась рядом авторов. В работах Бойсена (Bojsen J. Н.), Чена (Chen С. А.), Ченга (Cheng D.K.) оптимизировался КНД. В работах Кайфеца (Kaifez D.), Чаплина А.-Ф., Бучацкого М. Д. , Михайлова М. Ю., Маторина А. В. , Поповки-на RJL , Торопова А. Е решалась задача синтеза ДА с максимальным КНД в полосе частот. Была показана высокая эффективность синтеза ДА при помощи методов математической оптимизации.

Однако, при решении прикладных задач проектирования ДА необходимо одновременно реализовать, как правило, несколько разнородных электрических характеристик (КНД, УБЛ, входное сопротивление и др.) в требуемой полосе рабочих частот. В связи с этим, большой практический и теоретический интерес представляет разработка методов конструктивного синтеза ДА в такой постановке.

Первые конструкции ВАОИ были разработаны Эренспеком (Ehrenspeck Н. V.) в результате' экспериментальных исследований. Дукер (Zucker F.J.) предложил качественный полуэмпирический подход к проектированию ВАОИ. • ■1

Терешин 0. Н., Кузнецов JL К применили для анализа и синтеза ВАОИ подход, основывающийся на анализе характеристик замедленной поверхностной волны, распространяющейся едоль волноведущей структуры, и предложили использовать модуляцию фазовой скорости поверхностной волны для увеличения КНД.

Маторин А. В., Поповкин В. И. , Торопов А. Ю. рассмотрели задачу синтеза ВАОИ с максимальным КНД в полосе частот при помощи методов динамического программирования. При этом, варьируемыми параметрами в процессе оптимизации являлись только длины вибраторов.

Таким образом, разработка методов синтеза ПАР и создание на их основе высокоэффективных алгоритмов и программ, предназначен-' ных для автоматизированного проектирования антенн этого класса, является важной и актуальной научно-технической задачей.

Разработанные в диссертационной работе методы конструктивного синтеза позволяют проектировать ПАР по заданным электрическим характеристикам. Суть данного подхода заключается в следующем: при помощи методов численной оптимизации производится мини-

мизация целевой функции, содержащей в себе все представляющие интерес характеристики ПАР таким образом, чтобы эта функция стала минимальной, когда заданные характеристики примут требуемые значения. Ключевыми вопросами реализации метода синтеза являются: выбор точного и быстрого алгоритма анализа характеристик ПАР, выбор вида целевой функции, выбор метода оптимизации, выбор начального приближения.

Для анализа характеристик ПАР используется метод интегральных уравнений, рассматриваются ПАР следующих типов: решетка параллельных прямолинейных вибраторов (симметричных относительно перпендикулярной им плоскости, соединяющей их центры), размещенная как в свободном пространстве, так и над экраном; решетка параллельных прямоугольных узких щелей (симметричных относительно перпендикулярной им прямой, соединяющей их центры), прорезанных в бесконечном плоском идеально проводящем экране.

Система интегральных уравнений Галлена относительно неизвестных функций распределения токов (электрических - для вибраторов, магнитных - для щелей) на элементах ПАР сводится при помощи метода согласования в точках к системе линейных алгебраических уравнений, которая решается при-помощи метода Гаусса В качестве базисных функций (используемых для разложения неизвестных функций распределения токов) используется набор из трех тригонометрических функций полной области, предложенный Кингом (King R. W. Р.), который позволяет реализовать точный и, одновременно, быстрый алгоритм решения данной системы интегральных уравнений. После определения распределения токов на элементах ПАР вычисляются распределение поля в дальней зоне и электрические характеристики ПАР.

В качестве метода оптимизации был выбран модифицированный метод Пауэлла, дающий наилучшие результаты при.решении оптимизационных задач данного класса. Вопросы выбора вида целевой функции и выбора начальных приближений рассмотрены для каждой из поставленных задач конструктивного синтеза отдельно.

Вторая глава посвящена разработке методов, алгоритмов и программ для решения трехмерных задач конструктивного синтеза структур пространственной развязки в виде пассивных вибраторных и щелевых решеток, размещаемых между антеннами. Данная задача рассматривается для антенн двух типов - горизонтальный вибратор

2!t

над экраном и прямоугольная щель в экране.

Постановка задачи. Над плоским экраном размещены горизонтальные передающий и приемный вибраторы (либо в плоском экране прорезаны узкие прямоугольные передающая и приемная щелевые антенны) , расположенные параллельно друг другу и симметрично относительно оси, соединяющей их центры. Между антеннами размешается пассивная вибраторная (либо щелевая) решетка. Требуется определить ее геометрию, при которой будет обеспечено улучшение пространственной развязки (по сравнению с естественной) при фиксированном максимально допустимом отклонении ДН антенн относительно заданной их формы.

Метод решения. Данная задача решается при помощи методов оптимизации. Для анализа характеристик системы передающая антенна - развязывающая решетка - приемная антенна используется метод интегральных уравнений, представленный в первой главе.

Предлагается следующий путь проектирования вибраторной развязывающей структуры: на первом этапе осуществляется оптимизация размеров развязывающего вибратора, располагаемого посредине между антеннами, с целью получения максимальной развязки (при этом происходит искажение формы ДН антенн); на втором этапе осуществляется оптимизация размеров и размещения пассивных вибраторов, располагаемых на небольших расстояниях от передающей и приемной антенн с целью коррекции формы их ДН. Полученная геометрия используется в качестве начального приближения для третьего этапа, на котором осуществляется оптимизация всех размеров пассивной решетки с целью получения максимальной развязки при заданных ограничениях на отклонение формы ДН.

Для щелевой развязывающей структуры предлагается следующий путь проектирования: на первом этапе решается задача синтеза эквидистантной щелевой решетки, располагаемой между приемной и передающей щелевыми антеннами (расстояние между крайними щелями решетки и антеннами выбирается примерно равным половине рабочей •длины волны), с целью получения максимальной развязки при условии излучения по нормали к экрану. Варьируемым параметром является длина щелей решетки (предполагается, что щели нагружены на четвертьволновые короткозамкнутые отрезки волноводов). Полученная решетка используется в качестве начального приближения для второго этапа, на котором осуществляется оптимизация всей гео-

метрии.с целью получения максимальной развязки при заданных ограничениях на отклонения формы ДН антенн относительно требуемой формы да

Программная реализация. Описанные алгоритмы были реализованы б виде программ, предназначении. для автоматизированного проектирования в диалоговом режиме вибраторных и щелеЕых развязывающих структур на персональных ЭВМ типа IBM PC. Максимальное количество вибраторов (щелей) - 20. Максимальное количество частот, на которых .одновременно могут контролироваться характеристики антенн, - 5.

Полученные результаты. Был синтезирован ряд развязывающих вибраторных и щелевых структур. Показано, что при расстоянии между вибраторными антеннами в 1. О \ - 2. О X одиночный развязывающий вибратор позволяет улучшить развязку на 37-44 дБ, что приводит, однако, к'существенному искажению формы ДН антенн. При использовании развязывающей решетки, синтезированной согласно предложенной методике, удалось улучшить естественную развязку меэду антеннами на 25 дБ при заданном отклонении формы их ДН не более чем на 3 дБ (в секторе углов от -60 до +60 градусов, углы отсчитываются от нормали к экрану, Н-плоскость) относительно ДН одиночной антенны. Для случая щелевых антенн показано, что при расстоянии между антеннами в 1.0} - 3. О Д пассивная щелевая решетка позволяет улучшить естественную развязку на 8-14 дБ с одновременным обеспечением излучения антенн по нормали к экрану при ширине главного лепестка ДН в 80-110 градусов ( по уровню -3 дБ, углы отсчитываются от нормали к экрану, Е-плоскость).

Был проведен ряд экспериментов. В диапазоне частот 4 ГГц измерялись развязка и характеристики вибраторных антенн с синтезированными вибраторными развязывающими решетками. В диапазоне частот 10 ГГц измерялись развязка и характеристики щелевых антенн с полученными щелевыми развязывающими решетками. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетов.

Третья глава посвящена разработке методов, алгоритмов и программ для решения задач конструктивного синтеза ДА.

Постановка задачи. Задача конструктивного синтеза ДА рассматривается в следующей постановке: по заданному на сетке частот набору характеристик антенны ( КНД, УБЛ, входное сопротивление, КСВ в фидере питания и др.) необходимо-найти все ее электрически

значимые размеры.

Метод решения. Данная задача решается при помовд методов оптимизации. Для анализа характеристик ДА используется метод интегральных уравнений, представленный в первой главе. В качестве целевой функции предлагается использовать следующее выражение:

FM-jUSi, Si =

0> Mpw Clmin^ Ci. - Cimax j (l)

Ci ~ C'ma*, мри Ci > Clmax i L Clmln ~ C'l , прч Cl < C-Vmln ,

где N - количество частных характеристик антенны, представляющих интерес при решении конкретной задачи проектирования; Ci -1-я частная характеристика антенны; CLmin > Cimax " задаваемые минимально допустимое и максимально допустимое значения -й частной характеристики антенны; Qt - весовые коэффициенты; X -массив , варьируемых геометрических размеров антенны.

Программная реализация. Описанные алгоритмы были реализованы в виде программы "Фэникс", предназначенной для автоматизированного проектирования в диалоговом режиме ДА на персональных ЭВМ типа IBM PC. Программа позволяет производить анализ и оптимизацию характеристик ДА.' В режиме анализа программа позволяет оперативно подбирать геометрию начального приближения,, производя вычисления характеристик задаваемого варианта ДА. В режиме оптимизации программа позволяет: задать весовые коэффициенты и ограничения на характеристики в целевой функции (1), наилучшим образом отвечающие задаче проектирования; установить геометрические размеры, которые будут изменяться.в процессе оптимизации; провести оптимизацию характеристик антенны. В программе реализована идеология экранных "окон". Имеются "окна" для ввода начальных данных, геометрии антенны, вывода результатов анализа, ДН и другие. Команды управления реализованы в виде выбора из меню. Имеются средства помощи пользователю. Максимальное количество элементов ДА - 20. Максимальное количество частот, на которых одно-, временно могут контролироваться характеристики антенны,- 5.

Полученные результаты. Для определения зависимости КНД ДА, проектируемых согласно предложенной методике, от длины антенны (при условии согласования с питающим фидером за счет оптимизации входного сопротивления) был синтезирован ряд ДА. Полученные зависимости (в интервале длин от.1.0А до 3.O^J аппроксимируются

следующим выражением:

G = 9.3 -у + 5.0 , <2>

где L - длина ДА; (у " КНД ДА в разах.

Приведены результаты синтеза ДА, предназначенной для сложных условий телевизионного (ТВ) приема на одном из каналов дециметрового диапазона волн. При длине 3. зД "14-элементная антенна имеет КНД, равный 15.5 дБ; КСВ в 75-омном фидере иитания, подключенном к антенне без согласующего устройства (симметрирование осуществлялось при помощи четвертьволнового стакана), не превышает 1.5.

При помощи предложенной методики была синтезирована ДА, являющаяся облучателем бортовой двухзеркальной длиннофокусной параболической антенны диапазона частот 1500-1600 МГц. Синтез производился по следующему заданному набору характеристик в рабочем диапазоне частот: ширина главного лепестка ДН, УБЛ, КСВ в Фидере питания.

Рассмотрен ряд задач синтеза двух- и трехчастотных ДА. В частности, спроектирована 8-элементная ДА, предназначенная для работы на частотах 24 и 41 ТВ каналов. При длине антенны, равной 530 мм, ее КНД составляет 10.0 дБ. В процессе синтеза также минимизировался КСВ в фидере питания. Исследовалась возможность реализации трехчастотного режима функционирования ДА. Для этого была синтезирована 7-элементная антенна, предназначенная для работы в трех разнесенных диапазонах, отношение средних частот которых составляло 1:1.49:1.96. При длине 0. 54_Д. ( X ~ рабочая длина волны самого низкочастотного диапазона) ДА имеет КНД, равный 8.6 дБ (на первой частоте), 8.9 дБ (на второй частоте). 9.4 дБ (на третьей частоте).Представлены результаты синтеза двухчас-тотной вибраторной ПАР над экраном в режиме наклонного излучения.

Таким образом, впервые показана возможность реализации двухчастотного и трехчастотного режима работы ДА с одним активным вибратором без применения реактивных нагрузок в элементах антенны.

Были изготовлены макеты некоторых из синтезированных ДА и измерены их характеристики. Экспериментальные данные хорошо cor-

ласуются с результатами расчетов.

Четвертая глава посвящена разработке методов, алгоритмов и программ для решения задач конструктивного синтеза ВАОИ.

Постановка задачи. Задача конструктивного синтеза ВАОИ рассматривается в такой же постановке, как и для случая ДА.

Метод решения. Для анализа характеристик ВАОИ используются две математические модели антенны, базирующиеся на решении системы интегральных уравнений Галлена. В первой модели экран является плоским и бесконечным. Во второй модели плоский экран конечных размеров представляется в виде решетки пассивных вибраторов. Результаты расчетов, получаемые при использовании указанных математических моделей, сравнивались с экспериментальными результатами, привеченными в работе Нильсона (Nielsen Е. D.). Для модели с Еибраторным экраном получается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных ДН; для модели с бесконечным экраном отмечено хорошее соответствие расчетных и экспериментальных ДН только в области главного лепестка.

Задача конструктивного синтеза решается методами оптимизации. В качестве целевой функции используется выражение (1).

Программная реализация. Описанные алгоритмы были реализованы в виде комплекса программ (КП), предназначенного для автоматизированного проектирования в диалоговом режиме ВАОИ на персональных ЭВМ типа IBM PC. КП позволяет производить анализ и оптимизацию характеристик ВАОИ. В режиме анализа КП позволяет оперативно подбирать геометрию начального приближения, производя вычисления характеристик задаваемого варианта ВАОИ. В режиме оптимизации КП позволяет: задать весовые коэффициенты и ограничения на характеристики в целевой функции (1), наилучшим образом отвечающие задаче проектирования; установить варьируемые геометрические размеры; провести оптимизацию характеристик антенны. Максимальное количество элементов ВАОИ - 50. Максимальное количество частот, на которых одновременно могут контролироваться характеристики антенны,- 5.

Полученные результаты. Для определения зависимости КНД ВАОИ, проектируемых согласно предложенной методике, от их длины (пои наложении допол:.игельных ограничений на входное сопротивление с целью облегчения согласования с питаюшим фидером) был синтезирован ряд антенн. Использовалась модель ВАОИ с бесконечным

экраном. Полученные зависимости (в интервале длин от 0. 5 Л До 2. оА) аппроксимируются следующим выражением:

& = 27.6-!*- + 5.3, О)

л "

где I. - длина ВАОИ; 0 - КБД ВАОИ в разах.

Исследовалось влияние размеров и формы плоского экрана (в виде решетки параллельных пассивных вибраторов) на характеристики синтезированньрс ВАОИ. Были получены зависимости КНД и УЕЛ (в заднем полупространстве) от размеров.и формы (квадратная, круглая) экрана.

Исследовалась возможность увеличения КНД ВАОИ за счет применения настроенного плоского вибраторного экрана, а также использования в качестве малого рефлектора решетки из нескольких пассивных вибраторов. Была синтезирована короткая ВАОИ длиной 0.5^ с настроенными большим (максимальный размер 1. 7Д),, и малым рефлекторами, которая имела КНД, равный 14. 5 дБ.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- синтезированные антенны имеют КНД, в 3. 5 - 4. 7 раза превышающий КНД решеток Хансена - Вудъярда одинаковой с ними длины;

- размеры и форма плоского вибраторного: экрана оказывают существенное влияние на характеристики ВАОИ;

- квадратный экран является более• предпочтительным, так как обеспечивает меньший УБЛ в заднем полупространстве по сравнению с круглым вибраторным экраном той же площади;

- требуемая плошэдь плоского вибраторного экрана ВАОИ (синтезированной в предположении бесконечного плоского экршга) определяется ее КНД; при этом эффективность использования поверхности экрана составляет 65 - 69 процентов по сравнению с плоским излучающим раскрывом тех же размеров, возбужденным синфазно и равно-амплитудно; 1 .

- использование настроенного вибраторного экрана позволяет получить дополнительный выигрыш по КНД более чем в полтора раза.

В приложении приведен акт внедрения результатов диссертационной работы.

Основные результаты и выводы:

1. Предложена математическая модель пассивной вибраторной развязывающей структуры, разработан численный алгоритм синтеза ж

таких структур, создан пакет программ, позволяющий проектировать вибраторные развязывающие структуры на персональных ЭВМ.

2. Предложена математическая модель пассивной щелевой развязывающей структуры, разработан численный алгоритм синтеза таких структур, создан пакет программ, позволяющий проектировать щелевые развязывающие структуры на персональных ЭВМ.

3. Получены расчетные и экспериментальные результаты синтеза вибраторных и щелевых развязывающих структур, демонстрирующие эффективность предложенных численных алгоритмов конструктивного синтеза.

4. Предложен метод многокритериальной оптимизации ДА, позволяющий проектировать антенны этого типа по заданным на сетке частот значениям КНД, УБЛ, входного сопротивления,. KGB в фидере питания. Создан пакет программ, позволяющий проектировать ДА на персональных ЭВМ.

5. Получены зависимости КЦД ДА, синтезируемых при помощи предложенного метода, ит их длины.

6. Впервые показана возможность реализации двухчастотного и трехчастотного режима работы ДА с одним активным вибратором без применения реактивных нагрузок.

7. Разработаны численные алгоритмы и программы анализа и синтеза ВАОИ, позволяющие проектировать на персональных ЭВМ такие антенны.

8. Получены зависимости КНД ВАОИ, синтезируемых при помощи предложенного метода, от их длины и размеров экрана.

9. Разработанные' алгоритмы и программы синтеза могут служить основой для создания систем автоматизированного проектирования ПАР.

Содержание диссертации отражено в следующих работах автора:

1. Чаплин А.Ф., Ефанов А. А., Михайлов М.К1 Диалоговая САПР вибраторных антенн/УВсесоюзная НТК "Теоретические и прикладные вопросы разработки и эксплуатации САПР РЭА", 14-16 . января 1986 г. : Тезисы докл. -М. : МАИ, 1986. -С. 149-150.

?.. Ефанов А. А., Михайлов М. 1й , Чаплин А. Ф. Потенциальные характеристики директорных антенн//Радиотехника. -1988. -N 2. -С. 80-81.

3. Михайлов M. К1, Ефанов А. А. Программно-методический комплекс для проектирования пассивных вибраторных антенн//Региональ-

ный научно-технический семинар "Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике", сентябрь 1989 г.: Тезисы докл. -Челябинск: изд. Челябинского политехн. ин-та, 1989.-С. 118119.

4. Михайлов М. Е , Ефанов А. А. Диалоговый ПМК для функционального проектирования директорных антенн//Всесоюзный научно-технический семинар "Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно-фидерных систем и их элементов", апрель 1990 г.: Тезисы докл. -Ростов, 1990.-С. 77.

5. Михайлов М. КЗ., Ефанов А. А. Диалоговый ПМК для функционального проектирования директорных излучателей//Всесоюзная НТК "Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация проектирования и измерений", 11-15 июня 1990 г.: Тезисы докл.- Казань: КАИ, 1990.-С. 13.

6. Ефанов А. А., Чаплин А. Ф. Электромагнитная развязка антенн при помощи решеток пассивных вибраторов//Всесоюзное совещание по приземному распространению радиоволн и ЭМС, июль 1990 г.: Тезисы докл.-Улан-Удэ: изд. БНЦ СО АН СССР, 1990.-С. 100-101.

7. Ефанов А. А., Чаплин А. Ф. Конструктивный синтез вибраторных антенн обратного излучения//Межрегиональная НТК "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования", июнь 1991 г.: Тезисы докл.-Ленинград: изд. ЛГУ, 1991.-С. 80-81.

8. Ефанов А. А., Михайлов М. Ю. Многочастотные пассивные вибраторные 'антенны//Ме»региональная НТК "Сложныечантенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования", июнь 1991 г.: Тезисы докл.- Ленинград: изд. ЛГУ, 1991.-С. 82.

9. Ефанов А. А., Чаплин А. Ф. Развязка вибраторных и щелевых антенн в целях обепечения ЭМС//Республиканская НТК "Методы и средства измерений в области ЭМС ", 1991 г.: Тезисы докл. -Винница, 1991.-С. 29-31.

10. Ефанов А. А., Чаплин А. Ф. Вибраторные антенны обратного из-лучения//Всесоюзная НТК "Устройства и методы прикладной электродинамики", сентябрь 1991 г.: Тезисы докл. - Москва: изд. МАИ, 1991.-С. 149.