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

} Г Б гоФАдарственный комитет российской федерации по

1 0 то! «335 высшему образованию

новгородский госудакггвенный университет им. ярослава мудрого

На праскх рукописи ДАНИЛЬЧУК ВЛАДИМИР ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 621.396.6

МАЛОГАБАРИТНЫЕ ИМПЦЦАНСНЫЕ 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 ЕВ. Петров.

Ведущая организация: С.-Петербургскнй электротехнический университет Защита диссертации состоится 1995г. в /5^часов на заседании

специализированного совета К 064.32.01 Новгородского государственного университета по адресу: 173003, г. Новгород, ул. Б.С-Петербургская, д.41. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета.

Автореферат разослан ** ^ " 1995

Ученый секретарь специализированного совевд К 64.32.01, кандидат технических наук, доцент_

Актуальность темы. Создание современных небольших коммерчсс самолетов и самолетов частного использования остро поставило пробг разработки миниатюрных антенн систем связи, посадки, опознава; радионавигации, а также антенн радиовысотомеров и курсовых присмии работающих а дециметровом и метровом диапазонах УКВ (рис.1).

Построение таких малогабаритных антенн различ радиотехнических систем представляет собой актуальную задачу также ¡-осмичесхнх летательных аппаратов, ракет, подводных лодок и некото наземных подвижных объектов.

Для небольших самолетов и наземных подвижных объектов, имею сравнительно небольшие скорости, в диапазоне УКВ щелевые и др; невыступаюшне антенны были бы очень громоздки и неприемлемы к нарушения целостности корпуса летательного аппарата, а также к значительной части занимаемой поверхности объекта. Поэтому ве< актуальной задачей является уменьшение габаритов вибраторных, а тг аналогичных им шеяевых антенн УКВ, применительно к неболы подвижным объектам.

Таким образом, актуальными задачами для создания строгих мет< расчета, а тахже практического построения малогабаритных импеданс вибраторных антенн УКВ являются:

• выбор и обоснование метода анализа импедансных вибратор антенн УКВ диапазона,

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

• теоретическое исследование различных типов импедан! вибраторов к расчет их электродинамических характеристик,

- исследование "толстых" импедансных вибраторов,

Рис. I. Антенны на дозвуковом самолете: ! - приемная аитенна.радиовысотомера малых высот, 2 - антенна маркерного приемника; 3 - передающая антенна радиовысотомера «алых аысот; 4 -приемная антенна радиодальномера; 5 - передающая антенна радиодальномера ; 6 - приемо-передающая антенна командной УКВ радиостанции; 7 -прнемо-пер сдающая антенна радиоотвгтчкка системы опозиозания; 8 - передающая антенна радиовысотомера больиих высот; 9 - антенна панорамного радиолокатора; 10 - выпускная антенна еззгнен радиостанции; ! I -приемная антенна радиовысотомера больших высот; 12 - антенное устройство курсового и глиссадного радиоприемников; 13 - передающие антенны радиоопросчика; 14 - приемные антенны радкоопросчика; 15 - рамочная антенна автоматического радиокомпаса; 16 - кестхаа проволочная антенна коротковолновой радиостанции для дальней езязи; 17 - штыревая антенна ненаправленного приема автоматического радиокомпаса; !8 - жесткая проволочная антенна коротковолновой радиостанции для командной связи.

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

Целью диссертационной работы яаляегся создание новых методов расчета и построения малогабаритных вибраторных антенн, в основном на основе симметричных вибраторов, хотя разработанные методы с успехом могут быть применены и к расчету несимметричных вибраторов и щелевых излучателей.

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

Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в тем, что доказано.что интегральное уравнение импедаисного вибратора яаляепгся 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 н исследована эффективность этого метода для решения конкретной задачи.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что на 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 к параметров нагрузки.

Реализация результатов работы. Изложенные в диссертационной работе материалы получены в процессе выполнения плановых госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых кафедрами "Теоретической и специальной {шзикн" и "Радиофизики и электроники" Новгородского государственного университета: 6/ТОР-г/б, 16/ТОР-г/б, 35РиЭ-г/б. "ТОР", "МАЛЫШ", а также забот "След-НПИ" и "След-НПИ-2", проводимых по заданию Летно-!сследовательского института им. М.М: Громова (г.Жуковский, Московской >бл.).

Аптобапия работы. Основные положения диссертационной работы {складывались и обсуждались иа Всероссийских и международных гонфер опциях и симпозиумах:

Межреспублшсаиасая НТК "ФАР и их элементы: автоматизация грогатнропаниа и измерения" (Казань, 15-19 июля 1992 г.); !.**ХХ Гагаринсхне чтения", (Москва, 5-8 апреля !994 г.); >. Международный симпозиум "Физика и техника миллиметровых и :убмнллиметровых волн",(Харьков, 7-10 июня 1994 г.);

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

XXVII НТК по теории и технике антенн, (Москва 22-26 августа 1994 г.);

"Mathematical Methods in Electromagnetic Theory" (ММБТ '94), (Харьков 70 сентября 1994 г.);

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

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

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

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 217 страницах, содержит ! 18 рисунков и ! таблицу. Список литературы включает 74 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во-введенин проведен краткий обзор известных методов расчет;] характеристик вибраторных антенн. Подробно рассмотрен метод интегральны* уравнений и типы встречающихся в литературе интегральных ¡.равнении относительно тока на поверхности вибраторных антенн: уравнения типа Поклингтонз f I}. Ххллсиа [2¡.

Отмечено, что в большинстве работ исследуются уравнения с приближенным, непрерывным ядром, при возбуждении вибратора <>'-генератором ЗДС. Следствием применения таких уравнении является ограниченно на геометрию вибратора {а<< ?.,a«¡), т.к. для расчета

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

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

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

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

п - у/ёр , < 5)

где е - с' + = // ¡(Г (2}

-диэлектрическая и магнитная комплексные пронишк.досги нижнею полупространства, то на ею границе чстанавливаются граничны«: черпай? Щукнна-Леонтовнча:

Е. = -2//,.А; -= гн при у=0. (3)

Обычно для учета поглощения электромагнитных *олн СВЧ диапазона в иеталлах применяются граничные условия (3) с параметром.

(4)

у 2а е

.1е //-магнитная проницаемость металла, р.-удельная проводимость при юстойнном токе. Оговариваются пределы применимости граничных условий 3).

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

ае £.(./_.) -вторичное поле, создаваемое током }..

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

а\АГу.г)> (ММг) --

1тз

а-~ Г/0>——Л - —-2Дг> + Г¡и)К(т,1)Л = (6)

к ст _ г Л ¡г - 7яа *

:е а -постоянная, /(г) = 2ли/г(/г),

2/-длина вибратора, а-радиус вибратора, ■авнение (6) исследуется в гильбертовом иностраист»»- <?, лолоясктельио-ределенного оператора:

м0(г)=1£|/{,)£|„ ' л (7)

Орто н орх ированный базис ИА имеет »ид:

<40== ./—$Н1(яагс«и(г)].я = 1.1... (8)

1 ЛЯ-

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

/<г) = £с>,<г)+ ¿С>,<г) <9>

1! • 1-Л'.1

Первые N неизвестных находятся из решения сип ем ы:

II 1-1

а остальные неизвестные определяются аналитически:

С, <«'1.Л'+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-аналитическим методом.

В первой части этой главы рассмотрены вибраторы с равномерным распределением индуктивной нагрузки по всей поверхности плеча (Рнс.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 (Рис.3),

У

Таблица

Im(Z)/!20n=0.5 Im(Z)/I20Tc-0.0 !m(Z)/120Tt=-0.5

m.- 0.l3d V\ = 0.235 I/À = : 0.32

Mi R X R X r X

1 31.401 -57.309 91.502 -23.005 171.50 -31.623

2 27.444 0.623 80.619 lt.233 ¡53.88 6,!<)6 а

3 J 27.623 0.548 81.435 10.533 154.13 I -0.322

4 27.611 0.516 81.515 10.092 ¡54.05 -2.379

S 27.583 0.505 8!.468 9.914 153.86 -3.129

6 27.608 0.500 81.574 9.807 153.98 -3.656

7 27.594 0.498 81.536 9.774 153.89 -3.757

8 27.601 0.497 81.563 9.752 Г i '53.93 -3.849

9 27.598 0.496 81.556 9.752 153.91 -3.824

10 27.599 0.496 81.557 9.757 153.92 -3.784

20 27.599 г 0.503 81.524 9.873 153.95 - -3.090

30 i 27.599 1 a.507 i t 31.518 . 9.850 ; 153.96 -3.028

ЯвСЯг»

, xIO-*

4 . 4$w=<?t

X...

»---

O—'

a 0.5 1

xio-s

4 Ъ........ " 4 àï; i У^-о.ъ

,xlO"s

Sí

Wpíe)}

.alO"1

0.5

bàW

Vio-»

XIO-Í

Puc.3.

xlO"3

¡¡F

О f

V ...

- i »

0.5

JUCK*»

JWfrte)) xio-í

0.5

j«öcz)) xio-s

e.

. xlO1»

ve.

343(2))

xlO-ï

ftec. 3.

- фаза,

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

- диаграмма направленности (Рис.5),

- КСВн (Рис.6) и др..

Так как электродинамические характеристики вибратора находятся в юльшой зависимости и от геометрических размеров самой антенны, и от ¡араметров на-рузки, то для выбора оптимальных значений этих факторов иироко используются в предложенной работе трехмерные графики, которые юзволяют одновременно менять две переменные.

Сравнивая результаты анализа первой н второй части второй главы оказывается правомочность допущения о эквивалентности вибратора с осредоточенной нагрузкой вибратору с распределенным импедансом.

В третьей главе решена задача днфракцш* электромагнитных волн на мпедансной полосе. Необходимость а рассмотрении этой задачи пределяется тем, что в некоторых случаях приемные антенны УКВ етательных аппаратов устанавливаются вблизи нмпедансной 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 оверхностный импеданс изотропен и представляет собой комплексную гличину, причем, действительная и мнимая части равны и малы по модулю, случае среды без потерь поверхностный импеданс на ее границе оказывается я сто действительной величиной.

Вся информация о поверхностном гоке (в частности, поведение тока на гбре) может быть извлечена непосредственно из анализа интегрального эавнення. В известной нам литературе [3] свойства поверхностною гохз >учаются на основе вспомогательной задачи дифракции на импедаксноп элуплоскости.

Кс.4.

№

¿/a-50 ^0.2 ßf-5 О LhÖW

Rf*SO

Pue. 6

Относительно плотности электрического тока , используя выражение спя вторичного поля, имеем:

= -¿>г)+з.(г). 02)

4а ¿т * • а 4

де а = ка,к = =

Далее решение уравнения проводится аналогично указанному в первой

лаве.

1риводятся графики диаграммы рассеяния и поверхностной плотности тока нггнвной и реактивной) для случаев:

- равномерного и однородного покрытия;

- покрытия с "вырезом".

В четвертой паве представлены результаты экспериментального сследовання КСВн в фидере импедансных вибраторов с постоянной и кусочно" постоянной нагрузкой. Было отмечено практически полное звпадение экспериментальных данных п данных теории. Проведено )авнение теоретических результатов работы с результатами работ других поров. Также отмечается совпадение результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что применение импедансных вибраторов позволяет 1ачительно уменьшить размеры антенн, что способствует их использованию радиотехнических системах небольших коммерческих самолетов и других больших подвижных объектов.

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

3. Построен чнслснно-аналмтическнй метод решения ннтегральноп уравнения нмнедаисного вибратора и исследована эффективность этоп метода для решения конкретных задач.

4. На основе численно-аналитического метода разработаны алгоритмы программы и проведен комплексный электродинамический анализ различны; импедансных вибраторных антенн.

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

6. Показано, что введение импедансных граничных условий позволяет »ачсствснно оценить влияние параметров покрытия по дифракционным характеристикам электромагнитного поля.

7. Установлено хорошее соответствие теоретически рассчитанных значений сданными экспериментов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Данильчук В.Л., Орлов ИЛ, Плотников В.Н., Радциг Ю.Ю., Туншев М-Д., '-)мннов С.И. Об эффективности излучения резонаторно-щелевых антенн под произвольным покрытием Я Межреспубликанская НТК "ФАР и их ■лементы: автоматизация проектирования. и измерения":Тез. докл. КАИ, 5 Газа;«. ¡992 г., ! 5-19 июля.

2. Данильчук В.Л., Плотников В.Н., Эминов С.И. О расчете входных •¡роводимостей малогабаритных кольцевых щелевых излучателей И Межреспубликанская НТК "ФАР и их элементы: автоматизация проектирована и измерения":Тез. докл. КАИ. Казань. 1992 г., 15-19 июля.

3. Данильчук В.Л.. Эмииов С.И. Теория интегрального уравнения импелансного вибратора // (Принят к печати а 1994 г. в журнал ЖТФ).

4. Данильчук В.Л., Эминов С.И. Теория импелансного вибратора.-М.. 1994.-3?с.-Деп. в ВИНИТИ 01.12.94, №2766-В94.

5. Данильчук BJ1., Раднпг Ю.Ю., Эминов С.И. Новые методы анализа антенн с имнедансными граничными условиями // Физика и техника миллиметровых и субмиллимстровых •волн: Материалы докл. Международ Харьковского симпозиума (Харьков, 7-10 тоня 1994 г.).- Харьков, 1994,- i 5 с: 516-517.

(■.. Расчет щелевых и вибраторных антенн на основе числсин" шалигическою метода / В.П.Артемьев, ВЛ.Данильчук, И.Л.Орлок it.!!,¡l'ioimiKuit. Л.В.Сочнлин, Ю.Ю.Радииг, С.И.Эминов // Фазироваши«'. 1ИТС1Ш1.1С реикгкн и перепек «ивные средства связи (ФАР-94): ill Всерос, паут юхи. комф. (Kasani,, 13-17 июня 1994 г.).-Казань, 1994.-С. H4-I15.

7. Theori of (lie integra! equation of the impedance dipol / Daniicliiik V.L. PK-üiikov V.N.. Radtsig J.J., Fniinov S.I. // Mathematical Methods i" E¿le«ronhí!!neiic Theory (Мч1Ы'-94): Conference Proceedings (7-10 Septenihu ¡944. Kharkov, Ukraine).-Kharkov. !994, P.7I-74.

S Расчет щелевых и вибраторных антенн на основе числепп'.-. шалшическою метода / В.В.Артемьев, В.Л.Данильчук, И.Л-Орм»н If! Июжиков, А.В.Сочилин, Ю.Ю.Радииг, С.И.Эминов // XXVII НТК теории и технике антенн. (Москва, 22-26 августа 1994).- Москва, 1994.

9 Данильчук В.Л. Численный анализ импсдансного вибратора.- М 995.- 26с,- Деп. в ВИНИТИ 03.02.95, Л» 319-В95.

¡0. К вопросу анализа КСВн реактивно нагруженного вибратора З.Л.Данильчук, В.И.Плотников, Ю.Ю.Радииг, С.И.Эминов.- М., 1995,- 29 с. Jen. в ВИНИТИ 03.03.95, Ко 614-В95.

11. Дифракция электромагнитных волн Н-поляризации на импеданснои юлосе / В.В.Артемьез, В.Л.Дзнильчук, Е.П.Орлом, В.Н.Плотникоп,

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

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

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

14. Отчет по НИР "СЛЕД-НПИ", НПИ. Авторы РадцигЮ.Ю., Данильчук B.J1. 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 но НИР 782/TOP-I3/I238, НПИ, "СЛЕД-НПИ-2". Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук ВЛ. и др.-Но«город, 1994.

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

19. Отчет по НИР 735/Т и СФ-1, НовГУ. Авторы Радциг Ю.Ю., Данильчук В Л. н др.- Новгород, 1995.

литература

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

2. E.Hallen Theoretical investigations into the transmittion and receiving alities of antennae / Nova acta regiae societatis scientianim upsaiiemis: Ser. 4-¡1. 2.-.VJ 4-Uppsala, ¡933,-pp. J-44.

3. Ильннскнн A.C., Слеп ян Г.Д. Импсдансные граничные условия н их имененне для расчета поглощения электромагнитных волн в проводящих едах // Радиотехника и электроника.- 1990.-Т.35, вып.б.-С. ) '2!-! 139.

Издательско-полнграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, г. Новгород, ул. Б. Санкт-Петербурггаая, д. 41.

ялнсано в печать 2.(06 9$ изд. л. 1.0

Тираж 100

Формат 60 * 84/16 Зказ J43