автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Малогабаритные импедансные вибраторные антенны УКВ и строгий расчет их электродинамических характеристик численно-аналитическим методом

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОМКИЮ НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВДНрЫИ УНИВЕРСИТЕТ им. ЯРОСЛАВА;

а правах рукописи

ДАНИЛЬЧУК ВЛАДИМИР ЛЕОНИДОВИЧ

УДК «21.396.6

МАЛОГАБАРИТНЫЕ ИМПЕДАКСНЫЕ ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ

УКВ

И СТРОГИЙ РАСЧЕТ ИХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новгород 1995

Работа выполнена в Новгородском государственном университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ю.Ю. Радциг

Официальные оппоненты: Действительный член АИН РФ, д.ф-м.н.,

профессор Е.И. Нефедов, к.т.н., доцент Е.В. Петров.

Ведущая организация: С.-Петербургский электротехнический университет

Зашита диссертации состоится _"__1995г. в_часов на заседании

»

специализированного совета К 064.32.01 Новгородского государственного университета по адресу. 173003, г. Новгород, ул. Б.С-Петербургская, д.4!. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета.

Автореферат разослан " "_1995

Ученый секретарь специализированного совета К 64.32.01, кандидат технических наук, доцент_С.Н. Бритин

Актуальность темы. Создание современных небольших коммерчео самолетов н самолетов частного использования остро поставило пробл« разработки миниатюрных антенн систем связи, посадки, опознавай радионавигации, а также антенн радиовысотомеров и курсовых приемник работающих а дециметровом и метровом диапазонах УКВ (рис.1).

Построение тахих малогабаритных антенн различи радиотехнических систем представляет собой актуальную задачу также , ёосмичссхнх летательных аппаратов, ракет, подводных лодок н некото{ наземных подвижных объектов.

Для небольших самолетов и наземных подвижных объектов, имени сравнительно небольшие скорости, в диапазоне УКВ щелевые и дру невыступаюшие антенны были бы очень громоздки и неприемлемы и: нарушения целостности корпуса летательного аппарата, а тахже и значительной части занимаемой поверхности объекта. Поэтому вес-актуальной задачей является уменьшение габаритов вибраторных, а та аналогичных нм шелеаых антенн УКВ, применительно к неболы, подвижным объектам.

Таким образом, актуальными задачами для создания строгих мете расчета, а также практического построения малогабаритных импеданс вибраторных антенн УКВ являются:

- выбор и обоснование метода анализа нмпедангных вибратор антенн УКВ диапазона,

- разработка строгой методики электродинамического ана имлсдансных вибраторов на основе численно-аналитического метода,

♦ теоретическое исследование различных типов импедаш вибратсрож к расчет их электродинамических характеристик,

- исследование "толстых" импедансных вибраторов,

Рис. I. Антенны на дозвуковом самолете: ! - приемная антенна.радиовысотомера малых высот, 2 - антенна маркерно--о приемника; 3 - передающая антенна радиовысотомера малых высот; 4 -приемная антенна радиодальномера; 5 - передающая антична радиод&яькс-«ера; 6 - приемо-передающая антенна командной УКВ радиостанции; 7 -чриеыо-пер сдающая антенна рашюопетчика системы опозиования; 3 - передающая антенна радиовысотомера болъиих высот; 9 - антенна пако-замного радиолокатора; 10 • выпусхная антенна связной радиостанции; $ I -триемная антенна радиовысотомера больших высот; 12 - антенное устройство курсового н глиссадиого радиоприемников; 13 - передающие антенны радиоопросчика; 14 • приемные антенны радиоопросчика; 15 - рамочная хнтенна автоматического радиокомпаса; 16 • жесткая проволочная антенна коротковолновой радиостанции для дальней связи; ¡7 - штыревая антенна ненаправленного приема, автоматического радиокомпаса; 18 - жесткая про »олочная аитещеа-коротковолновой радиостанции для командной связи.

- экаифимиг.ьльиос исследование электродинамических характеристик малогабаритных импедансных вибраторных антенн УКВ диапазона и сравнение их с полученными теоретическими результатами.

Целью диссертационной работы является создание новых методов расчета и потроення малогабаритных внбра горных антенн, в основном на основе симметричных вибраторов, хогя разработанные методы с успехом могут быть применены и к расчету несимметричных вибраторов и щелевых излучателей.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том. что в ней применен эффективный строгий метод исследования вибраторов (названный авторами численно-аналитнч-ххим), на основе интегральных уравнений с точным сингулярным ядром дня изучения и расчета вибраторов с включенными сосредоточенными реактнвностями или с нагрузкой равномерно распределенной по поверхности вибратора.

Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в тем, что доказано,что интегральное уравнение импедансного вибратора является уравнением Фредгольма второго рода в гильбертовом пространстве и имеет лишь единственное обобщенное решение. Используя это, изучено асимптотическое поведение коэффициентов разложения решения по базису. На основе качественного анализа построен численно-аналитический метод решения интегрального уравнения импедансного вибратора и исследована эффективность этого метода для решения конкретной задачи.

основе предложенного численно-аналитического метода разработаны высоко эффективные алгоритмы и программы комплексного электродинамического анализа малогабаритных импедансных вибраторных антенн с распределенным импедансом и сосредоточенной нагрузкой (в одной или нескольких точках), устойчиво работающие при изменении входных параметров вибратора и параметров нагрузки.

Реализация результатов работы. Изложенные в диссертационной работе материалы получены в процессе выполнения плановых госбюджетных и юздоговорных НИР, проводимых кафедрами "Теоретической и специальной физики" и "Радиофизики и электроники" Новгородгкого государственного университета: б/ТОР-г/б, 16/ТОР-г/б, 35РиЭ-г/б, "ТОР", "МАЛЫШ", а также )абот "След-НПИ" и "След-НПИ-2", проводимых по заданию Легно-»сследовательского института им. М.М. Громова (г.Жуковский, Московской >бл.).

Апробзаия работы. Основные положения диссертационной работы (складывались а обсуждались на Всероссийских и международных :онф££ :шшях t» симпозиумах:

. Межреспубликанская НТК "ФАР и их элементы: автоматизация гроехтнровани* и «пмерення" (Казань, 15-19 июля 1992 г.); !."ХХ Гагаринские чтения", (Москва, 5-8 апреля 1994 г.);

Международный симпозиум "Физика н техника миллиметровых и убмиллиметровых волн",(Харьков, 7-10 июня 1994 г.);

. "Фазированные антенные решетки м перспективные средства связи (ФАР-4>", (Казань.13-17 июня 1994 г.);

. XXVII НТК по теории к технике антенн, (Москва 22-26 августа 1994 г.); . "Mathematical Methods in Electromagnetic Theory" (MMET '94), (Харьков 70 сентября 1994 г.);

. "International Symposium on Electromafnetic Theory" (URSI '95). (C.-1егербург, 23-26 мая 1995 г.);

. областные научно-технические конференции, проходящие ежегодно в 1овгородском государственном университете.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных аботах и отражены в 7 отчетах по НИР.

Структура II объем работы. Диссертационная работз состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 217 страницах, содержит Н8 рисунков и ! I.шлицу. Список литературы включает 74 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во-врсдснии проведен краткий обзор известных методов расчета характеристик вибраторных антенн. Подробно рассмотрен метол интегральных уравнении и типы встречающихся в литературе интегральных >равнении относительно тока па поверхности вибраторных антенн: уравнения П1г.ц Поклинпонэ [ 1), Халлсна [2].

Отмечено, что в большинстве работ исследуются уравнения с чрна-тнженным, непрерывным ядром, при возбуждении вибратора л-генератором ЗДС. Следствием применения таких уравнений является ограничение на геометрию вибратора {а«а«/), т.к. для расчета

характеристик вибраторов средней электрической толщины и электрически толстых необходимо оперировать свойствами точного ядра, а в литературе згот вопрос освещен недостаточно.

Вибраторы с реактивными нагрузками принято называть импеданснымн вибраторами. Имеются лишь незначительные исследования в этой области применительно в основном к длинноволновым излучателям. Вибраторные антенны с последовательно включенными реактивноетямп известны давно и эти элементы включались не только с целью уменьшения размеров, но для корректировки диаграмм излучения антенн, и расширения их полосы пропускания. В последних известных работах используется уравнение Поклннгтона, по с допущениями для тонкого вибратора и используя в качестве функции возбуждения ¿-функцию.

В первой главе отмечается, 'что в большинстве электродинамических задач предполагается, что все поверхности идеально проводящие. Но если

тектромагнитное поле рассматривается в полупространстве у>0, а юлупросгранство у<0 имеет большой комплексный показатель преломления:

л = , (!)

где е - с' + = // - »/Г диэлектрическая и магнитная комплексные проницаемости нижнего юлупространства, то на его границе устанавливаются граничные усппи" Цукина-Леонтовича:

е. = -гн>.ех -- гн при у-о. (3)

Обычно для учета поглощения электромагнитных роли СВЧ диапазона в

«еталлах применяются граничные условия (3) с параметром.

■ (4)

V

ле и -магнитная проницаемость металла, <т. -удельная проводимость при юстойнном токе. Оговариваются пределы применимойн 1раннчных условий 3).

Итак на основании вышесказанного исходное уравнение для мпедансного вибратора имеет вид:

ад(-)

ле £.(у.)-вторичное поле, создаваемое током }. .

равнение (5) записывается в удобном для дальнейшего изложения виде:

2ла

I ' г3 ! • '

а—— Г/(0-хтг----2/(г)+ [л.\Шг,/)Л = Н1) (6)

лгёт«, ¿» |г~г| Гли

1е а -постоянная, /(г) = Ъш);(1т),

2 / -длина вибратора,

а-радиус вибратора, равнение (6) исследуется в гильбертовом просгранст»:. Л. полежг.тельио-пределенного оператора:

Ортонормировании« бязис Н, имеет рна:

.[—«¡п1лагссо5(г)),л = 1,1-. (8

Далее доказывается единственность обобщенного решения и вводится условие на ребре; предлагается численно-аналитический метод. Решение в этом методе ищется в виде:

/<г) = £с>,<г>- £*>,<г> <91

».! Г'*.!

Первые N неизвестных находятся из решения сип ем ы:

с, + + = ь ' - л' (ю)

I I II

а остальные неизвестные определяются аналитически:

С, 5«'.ЛГ+Ь/<+* (II)

Число N необходимое для достижения заданной точности, определяется в результате численных экспериментов.

О точности метода можно судить по таблице приведенной ниже.

Во второй главе приводится строгое решение задачи анализа электродинамических характеристик различных импедансных вибраторов численно-аналптическим методом.

В первой части этой главы рассмотрены вибраторы с равномерным распределением индуктивной нагрузки по всей поверхности плеча (Рис.2а, 26).

Во второй части главы рассматриваются вибраторы с постоянной индуктивной нагрузкой на ограниченном участке плеча вибратора, причем, ширина нагруженного участка может меняться и в предельных случаях сводится или вибратору с равномерным распределением нагрузки по всей поверхности плеча, или вибратору с дискретной нагрузкой (Рис.2в, 2г). Исследуются следующие характеристики:

- распределение тока (активного и реактивного» вдоль вибратора (Рнс.З),

g

Таблица

Im(Z)/!20n=0.5 Im(Z)/l20ií=0.0 Im(Z)/120*=-0.5

I/X = 0.138 1A.= 0.235 -0.32

№ R i X R X R X

1 31.401 ! -57.309 i 91.502 -23.005 17!.50 -31.623

2 27.444 j 0.623 80.619 11.233 Î 53.88 6.J96 i

3 27.623 ! 0.548" i 81.435 10.533 Ï54.13 -Ó. 322

4 27.611 ! 0.516 ! 81.515 10.092 Ï54.05 -2.379

5 27.583 I 0.505 ■ 81.468 9.914 153.86 -3.129

6 27.608 f 0.500 i к.............. 81.574 9.807 153.98 -3.656

7 j 27.594 i ¡0.498 81.536 9.774 153.89 -3.757

8 27.601 _____________ ] 0.497 81.563 9.752 153.93 -3.849

» 27.598 j 0.496 81.556 9.752 153.91 -3.824

,0 27.599 i 0.496 1 81.557 9.757 153.92 -3.784

20 27.599 ! 0.503 S 81.524 9.873 153.95 -3.090

30 27.599 i 0.507 i 31.518 . 9.830 153.96 -3.028

SUCXtii)

XIO-»

п

"^ii "^'и 11 il _ 4Чч--- -

0 0.5 I

îfl»'

......... ■^--«-Г.-л.,----,01 - ; .....-

i--

0,5

ыцш

xlO"3

S.

ж 10-*

1.5

3^2» *Î0-*

Rtc.3.

1Z

slO-J

ЫХг))

xlO-з

0.5-

ЫЗСгй

xlO"3

.Щг))

XlO-ï

xlO*»

Ree. 3.

- фаза,

- входное сопротивление (ак-ивное и реактивное) (Рис.4),

- диаграмма направленности (Рис.5),

- КСВн (Рис.6) и др..

Так как электродинамические характеристики вибратора находятся в 5ольшой зависимости и от геометрических размеров самой антенны, и от ¡араметров нагрузки, то для выбора оптимальных значений этих фактороь нироко используются в предложенной работе трехмерные графики, которые юзволяют одновременно менять две переменные.

Сравнивая результаты анализа первой и второй части второй главы юказывается правомочность допущения о эквивалентности вибратора с осредоточеннон нагрузкой вибратору с распределенным импедансом.

В третьей главе решена задача дифракции электромагнитных волн ка мпедансной полосе. Необходимость в рассмотрении этой задачи пределяется тем, что в некоторых случаях приемные антенны УКВ етательных аппаратов устанавливаются вблизи импедансной поверхности бъекта, под защитным покрытием (например, щелевые антенны), а также в тубине "выреза" в таких покрытиях.

Доказывается, что на плоской границе среды с большими потерями эверхностный импеданс изотропен и представляет собой комплексную личину, причем, действительная и мнимая части равны и малы по модулю, случае среды без потерь поверхностный импеданс на ее границе оказывается игл» действительной величиной.

Вся информация о поверхностном токе (в частности, поведение тока на :бре) может быть извлечена непосредственно из анализа интегрального »авнения. В известной нам литературе [3] свойства поверхностного токз учаются на основе вспомогательной задачи дифракции на импедансной шуплосхости.

Ьс.4.

fya-ЬО Iih£2)-<JÎ

Rt--5Q Ыг)Ф

'ÜOj

Ч

cru

щет íiPUi

folOO №

Ыг)=<?5

*

Pue. 6

Относительно плотности электрического тока у,, используя выражение для вторичного поля, имеем:

= -£Г(.г, + а(гЛ (12)

4о <яг * • я 4 *,

где в = ЛлДг = =

Далее решение уравнения проводится аналогично указанному в первой

главе.

Приводятся графики диаграммы рассеяния и поверхностной плотности тока (активной и реактивной) для случаев:

- равномерного и однородного покрытия;

- покрытия с "вырезом".

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования КСВн в фидере импедансных вибраторов с постоянной н "кусочно" постоянной нагрузкой. Было отмечено практически полное :овпадение экспериментальных данных и данных теории. Проведено гравнение теоретических результатов работы с результатами работ других ■взоров. Также отмечается совпадение результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что применение импедансных вибраторов позволяет начительно уменьшил размеры антенн, что способствует их использованию

радиотехнических системах небольших коммерческих самолетов и других ебольших подвижных объектов.

2. Доказано, что интегральное уравнение импедансного вибратора вляется уравнением Фредгольма второго ролг в гильбертовом пространстве имеет лишь единственное обобщенное решение.

3. Построен численно-аналитический метод решения интегрального уравнения нмпедансного вибратора и исследована эффективность этого метода для решения конкретных задач.

4. На основе численно-аналитического метода разработаны алгоритмы, программы и проведен комплексный электродинамический анализ различных импсдансных вибраторных антенн.

5. В ходе численных исследований были выявлены закономерности поведения характеристик вибраторов с импсданснон нагрузкой в зависимости от параметров самого вибратора, а также фидера, величины и вида импсдансной нагрузки и даны рекомендации о границах применимости укороченных импсдансных антенн с распределенным импедансом и с сосредоточенными постоянными нагрузками.

Ь. Показано, что введение импсдансных «раничных условий позволяет оачествсино оценить влияние параметров покрытия по дифракционным характеристикам электромагнитного поля.

7. Установлено хорошее соответствие теоретически рассчитанных качений сданными экспериментов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Данильчук В.Л., Орлов И.Л., Плотников В.Н., Радцнг Ю.Ю., Туишев М Л.. '-)мннов С.И. Об эффективности излучения резонаторно-щелевых .ипаш под произвольным покрытием // Межреспубликанская НТК "ФАР и их ■лементы: автоматизация проектирования и измерения":Тез. докл. КАИ,

¡992 г., 15-19 июля.

2. Данильчук В.Л., Плотников В.Н., Эминов С.И. О расчете входных мроводимостей малогабаритных кольцевых щелевых излучателей // Межреспубликанская НТК "ФАР и их элементы: автоматизация проектирования и измерения":Тез. докл. КАИ, Казань, 1992 г„ 15-19 июдя.

3. Данильчук В.Л.. Зминов С.И. Теория интегрального уравнения импедансного «норагора И (Принято к печати а 1994 г. в журжшЖТФ).

4. Данильчук В.Л., Зминов С.И. Теория импедансного вибратора.-М..

1994.-3?с.-Деп. в ВИНИТИ 01.12.94, №2766-В94.

5. Данильчук В.Л.. Радциг Ю.Ю., Зминов С.И. Новые методы анализа антенн с импедансными граничными условиями // Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых -волн: Материалы докл. Международ Харьковского симпозиума (Харьков. 7-10 тоня 1994 г.).- Харьков, 1994,- т.5 С. 516-517.

6. Расчет щелевых и вибраторных антенн на основе чнеленн" .!н,ин;ическог1' метода / В.В.Дртемьеа, В.Л.Данильчук, И. Л.Орде»! В.Н.М.тошикок. Л.В.Сочнлнн, Ю.Ю.Радниг, С.И.Эминов И Фазирован»!.-, атеншле решетки и псрснск ¡ииные средства свят (ФЛР-94): 111 Всерос, нау: ¡охи. конф. (К:нань. 13-17 нюня 1994 г.).-Казань. ¡994.-С. 114-115.

7. 1 iicori of !iie integral equation of the impedance dipol / Dariilchuk V.!.. Ph-imkov V.N'.. Radtsig J.J., F-winov S.I. // Mathematical Methods ii; lileaioma^netic Theory (MMliT-94): Conference Proceedings (7-10 Scptcmbt! ¡944. Kharkov, Ukraine).-Kharkov, ¡994, P.71-74.

S Расчет шелевых it вибраторных атенн на основе числсшк--ана ¡¡иическою метода / В.В.Артемьев, В.Л.Даннльчук, И.Л-Орион. В.Н I! ю1Ников. Л.В.С'очилин, Ю.Ю.Рядциг, С.И.Эминов // XXVII НТК п.! теории и технике антенн. (Москва. 22-26 августа S994).- Москва, 1994.

9 Данильчук В.Л. Численный анализ импедансного вибратора.- М

1995,- 26с,- Деп. в ВИНИТИ 03.02.95, № 319-В95.

10. К вопросу анализа КСВн реактивно нагруженного вибратора З.Л.Данмльчух, В.Н.Плотников, ЮЛО.Радциг, С.И.Эминов.- М., 1995.- 29 с.-}еп. в ВИНИТИ 03.03.95, ,V<? 6I4-B95.

11. Дифракция электромагнитных волн Н-полярнзации на нмпедансной голосе ! В.В.Артемьев, ВЛ.Дзнильчук, Е.П.Орлова, В.Н.Плотников,

Ю.Ю.Радциг, С.И.Эминов.- М„ 1995.- 28 е.-Деп. в ВИНИТИ 03.03.95, № 613-В95.

12. Theori of impedance dipole / Danilehuk V.L., Hminov S.I.// Proceedings of the international symposium on electromagnetic theori (URS1-1995).-St.Pctersbmg, Russia, May 23-26, 1995, P. 498-500.

13. Отчет no НИР "Бста-2", НПИ. Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук B.JI. и др.- Новгород. 1990.

14. Отчет по НИР "СЛЕД-НИИ". НПИ. Авторы РадцигЮ.Ю., Данильчук В.Л. и др.- Новгород, 1991.

15. Разработка теории возбуждающих устройств для вибраторных и щелевых антенн и определение их основных электродинамических характеристик. Радциг Ю.Ю., ДаниЛьчук В.Л, и др. Отчет по НИР "МАЛЫШ". Новгород. НПИ.-1992.

16. Отчет по НИР 6/Р и Э-г/б, НПИ.Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук В Л. и др.-Новгород, 1993.

17. Отчет по НИР 782/ТОР-13/1238, НПИ, "СЛЦД-НПИ-2". Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук 8Л. к др.-Новгород, 1994.

18. Отчет по НИР 35/Р и Э-г/б, НовГУ. Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук В.Л. и др.- Новгород, 1995.

19. Отчет по НИР 735ЛГ и СФ-i, НовГУ. Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук ВЛ. и др.- Новгород, 1995.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вычислительные методы в электродинамияе / Под: ред. Р.Мтры, М.: Лир", - 1977,-485 с.

2. E.HaHen Theoretical investigations into the transmittion and receiving alities of antennae / Nova acta regiae societatis scientiarum upsaliemis: Ser 4-)L 2.-.V> <t-Uppsa!a, 1933.-pp. 1-44.

3. Ильннсхий A.C., Слепян Г.Д. Импедансные граничные условия и их нмененке для расчета поглощения электромагнитных волн а проаодящих :дах // Радиотехника и электроника.-1990,- Т.35, вып.б.- С. ¡121-1139.

хпнсзно в печать 2 {06 Формат 60 * 84 / 16

изд. л. 1.0 Тираж 100 Заказ >6

Издатепьско-полнграфнческий центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, г. Новгород, ул. Б. Саккт-Петербургсаая, д. 41.