автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Металодиэлектрические структуры в антенных решетках, радиопоглощающих покрытиях и слабонаправленных излучателях

На правах рукописи

РГо ОД 2 г дек гапз

Сутягин Игорь Владимирович

УДК 621.396.67

МЕТАЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ В АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ, РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЯХ И СЛАБОНАПРАВЛЕННЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЯХ

пециальность: 05.12.21 - «Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства».

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2000

Работа выполнена в Московском Государственном авиационном институте

(техническом университете)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Филиппов B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Чебышев Вадим Васильевич кандидат технических наук Инденбом Михаил Вульфович

Ведущая организация -.

ФГУП «Центральное конструкторское бюро тяжелого машиностроения» 111024, г. Москва, ул. Подъемная д. 12а

Защита состоится "_"_2000 г. (_) в _часов

на заседании диссертационного совета ССК 053.04.03 в Московском Государственном авиационном институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 125871, ГСП, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4. Ученый совет МАИ. Ученому секретарю диссертационного совета ССК 053.04.03.

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент,

кандидат технических наук Оу^^Х^Я^ Сычев Н.И.

Нб.о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

:сертационная работа посвящена разработке эффективных математи-<их моделей, решению задач анализа и исследованию характеристик цующих типов антенных устройств:

:ких антенных решеток печатных излучателей сложной формы, хширокополосных ленточных антенных решеток с широкоугольным нированием и радиопоглощающих покрытий на их основе юнаправленных печатных и пластинчатых излучателей, расположен-■с на экранах конечных размеров и сложной формы. :цие конструктивные особенности всех трех типов исследуемых уст-(ств позволяют отнести их к классу печатных антенн. Именно, их [структивными элементами являются: проводящий экран, один или колько слоев плоских излучающих элементов расположенных над аном и параллельных ему, плоскослоистое диэлектрическое заполне-и, возможно, вертикальные проводники, которые могут относиться стройству возбуждения, обеспечивать гальванический контакт между ментами разных слоев, или являться частью реактивных нагрузок [учателей.

и построении математических моделей, с помощью которых осущест-гется анализ перечисленных устройств, в диссертационной работе ис-чьзуется метод моментов.

и анализе решеток излучателей, к которым относятся первые два типа следуемых устройств, используется подход, основанный на теории ¡конечных периодических структур, при этом используется представ-ше функции Грина пространственного волновода с плоскослоистым электрическим заполнением. Для уменьшения вычислительной слож-сти задачи анализа, в случае, когда излучающие элементы антенной иетки имеют сложную форму, в работе используется новый подход, юванный на процедуре последовательных отражений, гализ одиночных излучателей, расположенных на конечных экранах эжной формы, осуществляется с помощью двумерной математической дели, с использованием представления функции Грина для векторного тенциала в спектральной области. Актуальность темы диссертации первую очередь обусловлена необходимостью сокращения времени оектирования и уменьшением затрат на разработку антенных систем, условиях возрастающих требований к их тактико-техническим, конст-ктивно-технологическим и стоимостным характеристикам. Это может

быть достигнуто посредством использования в процессе проектирования программных средств, сочетающих в себе универсальность и эффективность, основанных на строгих математических моделях, которые позволяют охватить широкий класс устройств и в то же время не предъявляют высоких требований к вычислительным ресурсам.

Актуальность проблемы исследования печатных антенн определяется их широким использованием в современных радиоэлектронных комплексах. Основными их преимуществами являются высокая технологичность, малый вес, габариты, повторяемость размеров, низкая металлоемкость. Одной из основных трудностей, с которыми приходится сталкиваться при разработке печатных антенн, является их узкополосность. Особенно трудно обеспечить широкую полосу рабочих частот в сканирующих в широком секторе антенных решетках. В диссертационной работе рассматривается вариант построения полотна ленточной антенной решетки, позволяющей обеспечить сверхширокополосное согласование в широком секторе сканирования. Актуальность задачи определения характеристик направленности печатных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы вызвана растущими требованиями к качеству различных радиоэлектронных систем широкого использования, например, систем радионавигации, геодезических радиосистем. В системах этого типа бывает необходимо обеспечить требуемую форму диаграммы направленности, сохраняя при этом низкую стоимость системы, что не позволяет использовать для этих целей дорогостоящие антенные решетки. Во многих случаях нужная диаграмма направленности может быть сформирована посредством выбора соответствующей формы экрана, на котором расположена антенная система. Такой подход оказывается весьма эффективным как с точки зрения достижения заданных тактико-технических характеристик, так и со стоимостной точки зрения.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующие цель и задачи работы:

Цель и задачи работы Целью настоящей работы является разработка математических моделей электродинамического уровня, описывающих печатные излучатели сложной формы в составе антенной решетки, позволяющих анализировать направленные свойства одиночных печатных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы и математических моделей для анализа характеристик сверхширокополосных ленточных антенных решеток с широкоугольным сканированием. Также, целью работы является разработка программного обеспечения на основе построенных математических моделей и

пользование разработанного программного обеспечения для анализа ха-ктеристик перечисленных устройств.

ним образом, целью и задачами данной диссертационной работы являют-

Разработка математической модели печатного излучателя сложной формы составе периодической антенной решетки на основе метода последова-1ьных отражений.

Разработка программного обеспечения на основе построенной математикой модели, предназначенного для анализа антенных решеток печатных яучателей.

С помощью разработанного программного обеспечения оценить скорость эдимости итерационной процедуры, лежащей в основе математической дели, предложить способы позволяющие улучшить сходимость, а также овести серию численных экспериментов для определения характеристик да печатных антенных решеток.

Оценка возможности использования в качестве радиопоглощающего по-ытия многослойной ленточной антенной решетки. Для достижения этой пи разработать математическую модель, программное обеспечение, и про-ализировать характеристики данной металлодиэлектрической структуры, енив ее широкополосные и широкоугольные свойства. Построение математической модели слабонаправленных антенных сис-л, расположенных на конечных экранах сложной формы. Анализ влияния нечного экрана сложной формы на характеристики направленности ан-шой системы.

дачи 1, 2 и 3 решаются в главе 1, задачи 4 и 5 в главах 2 и 3 соответствен-Методы исследования

процессе работы над диссертацией использовались строгие подходы к ре-:нию задач электродинамики. При этом применялись как хорошо извест-[е и давно используемые методы, например, метод моментов, подход ос-ванный на теории бесконечных периодических структур, так и относи-хьно новый подход - подход к решению задачи анализа непериодической генной решетки, основанный на методе последовательных отражений, горый также относится к строгим методам решения граничных задач астродинамики. При решении вспомогательных задач в работе использо-1ись методы линейной алгебры, теории функций комплексного перемен-го.

Научная новизна работы

1 Разработана математическая модель антенной решетки печатных излучателей с произвольной формой излучающей пластинки основанная на методе последовательных отражений.

2. Модифицирована итерационная процедура, лежащая в основе метода последовательных отражений, что позволило увеличить скорость сходимости метода.

3. Исследован вариант построения антенного полотна многослойной ленточной антенной решетки, которая обладает сверхширокополосными свойствами и может быть использована в качестве радиопоглощающего покрытия.

4. Разработана двумерная математическая модель, позволяющая анализировать влияние конечных экранов сложной формы на характеристики направленности антенн.

Практическая ценность результатов работы Математическая модель антенной решетки печатных излучателей с пластинкой произвольной формы, разработанная в процессе работы над диссертацией, позволяет снизить размерность решаемой задачи на порядок по сравнению с поэлементным подходом. Эффективность метода значительно возрастает при использовании модифицированной итерационной процедуры.

Результаты математического моделирования пластинчатых (печатных) излучателей над проводящим экраном сложной формы внедрены во Всероссийском НИИ радиотехники (ВНИИРТ) в разработке антенной системы по теме «Восток». На основе указанных результатов выбрана геометрическая форма и размеры проводящего экрана антенны канала управления наземного радиозапросчика, что позволило сформировать требуемую форму диаграммы направленности, сократить объем экспериментальных исследований и время на разработку антенны. Факт использования результатов работы подтвержден актом внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Разработанная математическая модель периодической антенной решетки печатных излучателей с пластинкой произвольной формы, основанная на методе последовательных отражений, позволяет снизить размерность решаемой задачи и анализировать характеристики широкого класса печатных излучателей.

2) Для повышения эффективности математической модели следует использовать модифицированную итерационную процедуру, позволяющую сократить время решения задачи анализа.

Многослойная ленточная антенная решетка может быть использована в качестве радиопоглощающего покрытия, обеспечивающего сверхширокополосный режим работы в широком секторе углов. Двумерная математическая модель пластинчатого излучателя, расположенного над экраном сложной формы конечных размеров может быть использована для анализа характеристик направленности ела- ; бонаправленных антенных систем. Публикации иапробации

Основные результаты диссертации изложены в [1-5], апробированы , четырех международных научно - технических конференциях. Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 170 листе машинописного тек- , 1, включая 31 лист иллюстраций. Диссертационная работа состоит из ; здения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 70 : именований, списков основных сокращений и обозначений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проанали- : ювано состояние проблемы, сформулирована цель работы, даны све- ; шя о методах исследования, используемых в процессе работы над : :сертацией. Представлены новые научные результаты, описана прак- ; 1еская ценность результатов работы и результаты внедрения их в про- *

юдство, а также сформулированы основные положения, выносимые [ защиту.

В первой главе представлен новый подход к решению задачи анали- ;

антенных решеток микрополосковых излучателей со сложной формой !

[учающей пластинки. Данный подход, относится к классу методов, ; юванных на теории бесконечных периодических структур, и по срав- ; [ию с другими методами данного класса позволяет снизить размер- :

ль задачи анализа и обеспечивает возможность анализа широкого ; сса печатных излучателей с помощью одной математической модели,

ямерная конфигурация периодической ячейки антенной решетки :

дставлена на рисунке 1. Периоды решетки равны Тх, Ту по осям X и ;

;оответственно. В продольном сечении (в направлении оси X) АР дставляет собой чередующиеся слои диэлектрика и плоскостные из- ; ающие элементы. Конфигурация последних может быть произволь-[. Часто нижним слоем АР является металлический экран, в этом слу- :

1ае излучатели могут возбуждаться коаксиальным зондом. В основе метода 1ежит использование для решения исходной задачи характеристик некоторой простой регулярной периодической структуры (РС).

Т

А V

У

Л

х

Ет

£т

Рис 1

Конфигурация периодической ячейки регулярной структуры определяется совокупностью базисных функций, описывающих ток наиболее сложного лемента излучателя исходной АР. На примере изображенной на Рис 1 кон-:трукции рассмотрим процесс ее построения. В данном случае наиболее :ложный элемент излучателя расположен в бесконечно протяженной в на-травлении оси Ъ области пространственного волновода, включающей в себя стройство возбуждения. Для представления тока на включенных в эту обметь элементах конструкции могут быть использованы различные конеч-ше элементы. Допустим, что для представления тока на излучающих плавниках используются кусочно-линейные базисные функции, для представ-1ения тока на вертикальном зонде используется равномерная базисная рункция, а для представления магнитного тока в раскрыве коаксиального юлновода используется базисная функция, соответствующая полю Т-волны юаксиального волновода. Совокупность этих базисных функций, описывающих ток в рассматриваемой области пространственного волновода опре-1елит конфигурацию периодической ячейки эквивалентной регулярной труктуры (Рис 2). Периодическую ячейку регулярной структуры в даль-юйшем будем называть элементарной периодической ячейкой. Её размер 1х,(у) в методе последовательных отражений должен выбираться таким,

:тобы с одной стороны он был кратен соответствующему размеру базисной пункции тока, а с другой стороны размер периодической ячейки исходной \.Р Тх (Ту) был кратен . При выполнении первого из этих условий

квивалентная регулярная структура оказывается периодической с периода-

I 1 х, / по осям X и У соответственно, а при выполнении второго условия

риоды исходной АР являются также периодами эквивалентной регуляр-й структуры.

X

1нфигурация элементарной периодической ячейки много проще, чем эуктура периодической ячейки исходной АР. Следующий этап решения 1ачи анализа рассматриваемым методом заключается в представлении збуждения исходной АР в виде суммы парциальных возбуждений, каждое которых является с точностью до фазового множителя периодической нкцией с периодами 1Х, 1у . Для каждого парциального возбуждения с по-

щью теоремы Флоке могут быть определены характеристики элементар-й периодической ячейки. В общем случае это смешанная матрица сопро-влений, проводимостей и коэффициентов взаимной связи базисных функ-й. Для моделирования с помощью регулярной периодической структуры щдной антенной решетки необходимо модифицировать базисные функ-и, включив в каждую из них по одной длинной линии. Теперь произволь-е возбуждение регулярной структуры может быть представлено в виде зокупности волн, распространяющихся в линиях по направлению к банным функциям. Возбуждению исходной АР соответствует некоторое рас-еделение напряжений падающих волн в виртуальных линиях эквивалент-й регулярной структуры. При этом реакции, т.е. токи на элементах конст-щии, этих двух устройств, естественно, различны. Сущность рассматри-;мого метода заключается в подборе такого распределения напряжений дающих волн в виртуальных длинных линиях эквивалентной регулярной )уктуры, при котором ее реакция совпадает с реакцией исходной АР на гинное возбуждение. Для этого длинные линии, соответствующие тем ба-

зисным функциям тока, которые присутствуют в модели исходной АР, нагружаются элементами с нулевым сопротивлением на расстоянии от точки включения в базисную функцию кратном половине длины волны. Тем самым обеспечивается режим короткого замыкания в сечениях базисных функций. Остальные длинные линии, отсутствующие в модели исходной АР, наоборот, нагружаются таким образом, чтобы обеспечить в сечении соответствующей базисной функции режим холостого хода, размыкая тем самым её. Модифицированная таким образом регулярная структура оказывается эквивалентной модели исходной АР. Под эквивалентностью структур в данном случае понимается эквивалентность систем линейных алгебраических уравнений, получающихся при использовании методов наведенных ЭДС для исходной АР и регулярной структуры. При этом, под периодами последней понимаются не размеры элементарной периодической ячейки (х,(у,а периоды исходной АР Тх,Ту. Затем, к модифицированной регулярной структуре применяется итерационная процедура метода последовательных отражений. Начальное возбуждение представляется в виде суммы парциальных возбуждений с такими фазовыми наклонами, для которых ранее определялись характеристики элементарной периодической ячейки. С помощью этих характеристик для каждого парциального возбуждения определяется амплитуда отраженной от регулярной структуры волны, то есть спектр отраженных волн, распространяющихся в виртуальных линиях в направлении от базисных функций к нагрузкам. Далее, с помощью преобразования Фурье, осуществляется переход от спектра отраженных волн к пространственному распределению напряжений в виртуальных линиях. В каждой виртуальной линии за счет отражения от нагрузки на конце образуется новая падающая волна, фаза которой определяется типом нагрузки, после чего процедура последовательных отражений повторяется. Каждая новая падающая волна вносит свой вклад в суммарное возбуждение регулярной структуры, при этом, за счет потерь на излучение, на каждом шаге итерационной процедуры общая мощность частичных падающих волн уменьшается, что обеспечивает сходимость метода. После некоторого числа итераций суммарное возбуждение перестает изменяться. При этом реакция регулярной структуры, то есть амплитуды базисных функций тока, соответствует реакции исходной АР.

В главе диссертации подробно представлено решение задачи анализа элементарной периодической ячейки, рассмотрены способы представления сторонних полей, приведена математическая формулировка итерационной процедуры, лежащей в основе метода и представлены результаты исследования

е сходимости. Показано, что для увеличения скорости сходимости итераци-(нной процедуры необходимо ее модифицировать и продемонстрирован ффект применения модифицированной итерационной процедуры. Кроме ого, представлены результаты численного моделирования ряда микропо-юсковых излучателей в составе антенной решетки.

5о второй главе рассмотрена возможность использования многослойной енточной антенной решетки в качестве радиопоглощающего покрытия, об-адающего сверхширокополосными свойствами и сохраняющего высокие арактеристики поглощения в широком секторе углов падения волн, фрагмент полотна рассматриваемой ленточной решетки изображен на рис.3

180

160

140

'Т 120

я 100

о

О С 80

О п 60

40

20

0

Ширина полосы частот по уровню -20дБ.

|оРг(0=377+(И)'377 □ Р(|)-ИГЕхр(А*(|-1)) |

Рис 3.

онструкция расположена в свободном пространстве над металлическим :раном. В разрывы металлических лент с интервалом Т включены сосредоточенные сопротивления ( 1- номер ленточной решётки ). В главе рассматривается решение задачи дифракции для данной структуры. На основе метода наведенных ЭДС построена

математическая модель и проведена серия численных экспериментов по

1 1

.п а я [

< ^ п 11

с

о

>

О □

4 6 8 10

Число слоев

ределению зависилйй-й коэффициента отражения плоской однородной лны от различных параметров структуры - числа слоев, расстояния между

ними, характера изменения сосредоточенных сопротивлений, включенных в разрывы ленточных проводников. Приведены результаты численного моделирования в виде зависимостей коэффициента отражения от частоты и от утла падения волны. На основе анализа совокупности полученных результатов построены зависимости, позволяющие оценить необходимую толщину покрытия исходя из требований к частотным свойствам покрытия и ширины сектора углов падения волны. На рис 4 представлены некоторые из полученных характеристик. Они иллюстрируют зависимость полосы рабочих частот покрытия по уровню коэффициента отражения -20 дБ от числа слоев для двух характеров изменения сосредоточенных сопротивлений слоев. Расстояние между слоями ленточной решетки при этом составляет 0,25 длины волны на центральной частоте рабочего диапазона. В результате обобщения результатов численных экспериментов во второй главе показано, что радио-поглощающее покрытие на основе 5-тислойной ленточной антенной решетки позволяет обеспечить поглощение не хуже 20 дБ в полосе частот 120%, а при увеличении числа слоев до 10 становится возможным обеспечить поглощение не хуже 40 дБ в полосе частот 108%.

В третьей главе представлена математическая модель, позволяющая оценить влияние размеров и формы конечного экрана на характеристики направленности антенных систем. Актуальность решения данной задачи вытекает из того, что предположение о бесконечности экрана, на котором расположена антенная система, является одним из наиболее существенных упрощений. Подобное упрощение связано со слабой зависимостью импедансных характеристик от размеров экрана и с большой вычислительной сложностью задачи об излучателе на экране конечных размеров. Между тем, размеры экрана могут оказывать заметное влияние на диаграмму направленности излучателя, а в некоторых случаях форма экрана может специально подбираться исходя из требований к диаграмме направленности. В главе диссертации описывается двумерная математическая модель, позволяющая рассматривать двумерные аналоги пластинчатых излучателей.

А у

Рис 5

Двумерность модели позволяет снизить размерность решаемой задачи до приемлемого уровня, в то же время диаграмма направленности излучателя в некоторой плоскости определяется в основном размерами экрана в этой же

оскости, что обеспечивает адекватность модели реальному устройству. На с 5. представлен двумерный аналог печатного излучателя с двухзондовым збуждением. Анализ сводится к определению распределения электриче-ого тока на элементах конструкции при заданном возбуждении. Данная цача решается методом моментов, для описания электрического тока ис-льзуются кусочно-линейные базисные функции. Для определения полей, збуждаемых токами, используется представление функции Грина для век-рного потенциала в спектральной области. После определения электриче-их токов вычисляется распределения поля в дальней зоне. i основе данной математической модели был разработан пакет приклад-IX программ, с помощью которого оценивались характеристики направ-нности различных антенных систем. В частности, он был использован для ализа характеристик и определения геометрических параметров много-льцевого экрана, использующегося в системах спутниковой навигации и эдезии. На рисунке 6 представлен один из вариантов конструкции много-льцевого экрана.

0150 v.

64

2 J ъ 2 / Ъ 1 Г п

^ г \ / 0 190 <-у

<- 0 320 ->

60

Рис 6

I представляет собой металлический диск с несколькими концентрически-[ канавками, в центральной части которого располагается антенна. С по-щью подобных экранов удается минимизировать уровень диаграммы на-авленности в задней полусфере, что позволяет повысить точность реше-я навигационной задачи за счет уменьшения влияния на результат изме-пий отраженных от земли сигналов (эффект многолучевости). С помощью сработанной математической модели была проведена серия численных :периментов по определению геометрических параметров многокольцево-

L4

го экрана, при которых обеспечивается наилучшее подавление эффекта мно-голуче&оетн, В iipou.Ä'Ce экспермменгэд ojipcac.uijjись глчонны канавок экрана при ограничениях на габаритные размеры экрана в целом. В качестве опенки уровня подавления многолучсвоспгн ^пользовалось так называемое «отношение Вти/Вверх» - зависимость отношения уровней прямого н отраженного от земли сигналов от угла возвышения источника сигнала при полном отражении от земли, Характеристики. обычного многокольцевого экрана имеют резонансных характер - для эффективного подавления много* ¿ij^kmaihï I лчоннз канавок должна быть примерно равна !4 рабочей длины волны. Это обстоятельство накладывает ограничение на диапазон рабочих числит jKüüfiii. В лв% ччастотных L1/L2 геодезических системах (диапазону LI coût&etct&V'eî центральная частота 1575.4 MHz. а диапазону L2 - 1227 MHz) многокальцевон экран может обеспечивать существенное подавление влияния хшоголу^гевоета (до 40 дБ в направлении надир) в диапазоне L2, а на частотах LI подавление ммоголуче&аста в том же шшраблешш чхудша-e?VH jo aft, Далее рассматривается новый лнч-хчаслотнын многокольцееон экран, который обеспечивает хорошее подавление многолучевостн как в диапазоне LI, так и в диапазоне L2. Подобный вариант конструкции был предложен B.C. Филипповым. Двухчастотный многокольцевой экран представлен на рисунке 7.

J t

г г Я /

Рис 7. Двухчастотный многокольцевой экран. Для обеспечения двухчастотного режима работы в канавки обычного одно-частотного экрана, настроенного для оптимального подавления многолуче-вости в диапазоне L2, вставлены фильтры, представляющие собой диафрагмы со щелями и согласующими цепями (рис 8) Они представляют собой кольца из фольгированного диэлектрика, в нижнем слое металлизации которого образованы щели, а на верхней стороне сформированы согласующие цепи в виде микрополосковых шлейфов. Шлейфы пересекают щель и соединяются с нижним слоем металлизации металлизированными отверстиями. Таким образом, каждая щель оказывается нагруженной на входные сопротивления двух параллельно включенных шлейфов. Эффект от введения фильтров проявляется в изменении эффективной глубины канавок в зависимости от частоты. Именно, параметры фильтров и глубины их располо-

ения выбраны таким образом, что на частотах диапазона Ь2 диафрагмы <азываются прозрачными и их наличие не сказывается на работе экрана, фактеристики подавления многолучевости такие же, как и в обычном 1Ночастотиом экране.

Рис 8. Двухчастотный многокольцевой экран, диапазоне Ы фильтры не являются прозрачными и изменяют эффектив-ые глубины канавок таким образом, что характеристики подавления мно-элучевости оказываются оптимальными и в этом диапазоне. Антенна кру-)вой поляризации, расположенная в центре экрана, возбуждает в каждой из шавок волны типа НО 1 коаксиального волновода, образованного стенками шавок - прямую волну, распространяющуюся в сторону дна канавок, и граженную, распространяющуюся в противоположном направлении. Ам-литуды волн высших типов пренебрежимо малы, если антенна обладает шмутально-симметричной диаграммой направленности. Однако, при на-нчии фильтров, возможна трансформация основной волны в высшие типы [елями диафрагм. Глубины канавок экрана для волн высших типов не яв-иются оптимальными, поэтому этот эффект приводит к ухудшению харак-фистик подавления многолучевости. Исключить возможность возникнове-ия волн высших типов можно путем выбора числа щелей для каждой из шавок экрана. Если щели расположены периодически и их число в канавке 1вно Ы, то поле системы щелей в коаксиальном волноводе, образованном генками канавки определяется следующим выражением:

1 (г, г, ср) = г) ■ ехр(-г • (Ы ,• т +1 )<р)

Любое из слагаемых этого выражения с индексом m большим 0 соответствует паразитной волне высшего типа. Если число щелей в канавке удовлетворяет неравенству

Nsl>4n Rav/^L2+1 (2) где Rav- длина окружности среднего радиуса между радиусами стенок канавки, то все паразитные волны для периодической системы щелей оказываются в закритическом режиме и не оказывают влияния на работу экрана. На основании сформулированного правила число щелей в фильтрах было выбрано следующим: для первого кольца - 6 щелей, для второго - 8 щелей и для третьего 10 щелей.

Для определения геометрических параметров фильтров была разработана математическая модель диафрагмы со щелями в закороченном коаксиальном волноводе - аналоге канавки многокольцевого экрана. Данная модель позволила определить частотные зависимости модуля и фазы коэффициента отражения волны Н01 коаксиального волновода от диафрагмы. В процессе настройки фильтров двухчастотного экрана необходимо изменить фазу отраженной волны в сечении открытых концов канавок таким образом, чтобы в обоих диапазонах обеспечивалось максимальное подавление многолучевости. Возможны различные варианты настройки фильтров двухчастотного экрана. Например, можно выбрать параметры шлейфов и щелей таким образом, что в диапазоне L1 коэффициент отражения от диафрагм волны Н01 будет равен -1. При этом глубина расположения фильтров в канавках экрана должна совпадать с глубиной канавок одночастотного экрана, настроенного на диапазон L1 (48 mm), а сопротивление параллельного включения шлейфов должно быть индуктивным. В диапазоне L2 фильтры по-прежнему должны быть прозрачными для волны Н01. Для этого, при длинах щелей, немного меньших резонансных, параллельное включение шлейфов должно обладать емкостным сопротивлением. Такой способ настройки фильтров характеризуется узкой полосой рабочих частот в диапазоне L1. Кроме того, каждый из шлейфов влияет на работу экрана в обоих диапазонах, что затрудняет процесс настройки. В процессе численного моделирования было выяснено, что для увеличения полосы рабочих частот необходимо делать фильтры частично прозрачными в диапазоне L1, а нужной фазы коэффициента отражения волны Н01 в сечении открытых концов канавок добиваться посредством уменьшения глубины расположения диафрагм. При таком подходе рабочая полоса частот в диапазоне L1 увеличивается. При глубине расположения фильтров равной примерно 44-45 мм достигается максимум рабочей полосы в диапазоне L1. При дальнейшем уменьшении глубины расположения фильтров полоса частот в диапазоне L1

начительно уменьшается, а в диапазоне L2 практически не изменяется, бор высоты расположения фильтров с точки зрения максимизации поло-частот в диапазоне L1 не свободен от второго недостатка - влияния каж-о из шлейфов на работу экрана в обоих диапазонах. Для устранения это-недостатка длины шлейфов были выбраны таким образом, что входное [ротивление одного из них оказывалось равным 0 на частоте 1575 MHz, а частоте 1227 MHz входное сопротивление их параллельного включения ггветствовало холостому ходу. Далее процесс экспериментальной отра-ки параметров фильтров осуществлялся в два этапа. Первый этап заклю-[ся в выборе глубин расположения фильтров в канавках экрана. При этом ггерием оптимизации являлось качество подавления влияния многолуче-;ти в диапазоне L1. В качестве характеристики подавления влияния мно-[учевости использовалось отношение уровней диаграммы направленности ижней и верхней полусфере в направлениях прихода отраженного и пря-го сигналов (отношение Вверх/Вниз). Была проведена серия натурных :периментов по измерению отношения Вверх/Вниз для различных высот ¡положения фильтров в канавках экрана. В результате оказалось, что для 'бины 38 мм отношение наилучшее, в то время как глубина канавок оп-¿ально настроенного на диапазон L1 одночастотного экрана составляет мм. Отсюда следует, что закороченные в середине щели диафрагм явля-ся частично прозрачными. При указанной выше длине шлейфа (2) шлейф не оказывает никакого влияния на работу фильтра в диапазоне L1. На >ром этапе, для обеспечения прозрачности фильтров в диапазоне L2 щели утраивались в резонанс посредством выбора их конфигурации и ширины, итерием настройки являлось отношение Вверх/Вниз в диапазоне L2. Ока-юсь, что при фиксированном ранее числе щелей для каждой канавки, их яны оказываются таковыми, что система щелей резонирует и становится эзрачной на более высокой частоте, нежели частоты диапазона L2. Для яижения резонансной частоты щелей оказалось необходимым сильно еньшить их ширину, увеличивая тем самым эффективную диэлектриче-/ю проницаемость подложки щелевой линии, эквивалентной щели. После лройки щелей проверялось качество работы экрана в диапазоне L1. Было яснено, что изменение конфигурации щелей не ухудшило характеристик давления многолучевости в L1.

зультаты измерений характеристик подавления многолучевости представил на рис 9, 10. Отношение Вверх/Вниз для двухчастотного экрана сопос-$ляется с теми же характеристиками обычного одночастотного экрана, и с эактеристиками оптимально настроенных экранов на частоты 1227 и 1575 Лг (расчетные кривые). Из графиков видно, что характеристики

подавления многолучевости для двухчастотного экрана в диапазоне L2 не хуже чем для одночастотного экрана. В диапазоне L1 двухчастотный экран обеспечивает лучшее подавление многолучевости. Максимальный выигрыш при этом составляет 10 дБ в направление надира на частоте 1575 MHz.

Откошенае Ввяз/Вверх для двухчастотного мвогоколькевого экрана в диапазоне L2 (1227 MHz)

\

N > О Экелсриыснт

Ч, <| <j > /

^^ \ < / s

> < у/

1 N < > ^ -V > / и

\ > \ \

ч *

•90 •£(> >70 «60 .50 >40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 вО

Угол [г]

Рис 9

Отношение Бнш'Вверх для двухчастотного маогокольцевого экрана в диапазоне L1 (1S7S MHz)

»СТСГГИЬЙ Эф1Н

i \ V \ \ О Эш1< / / / )

/]

г \ \ /г

1 ■V к / ______ 1

\ /J

< ( \ 1 /

-90 -80 >70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 S0 90

Рис 10

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленны-I целью и задачами:

На основе метода последовательных отражений разработана математическая модель антенной решетки печатных излучателей сложной формы.

Показано, что данный подход позволяет на порядок снизить размерность задачи анализа по сравнению со стандартным подходом, основанным на методе моментов.

На основе построенной математической модели был разработан пакет прикладных программ, позволяющий анализировать печатные антенные решетки с излучателями сложной формы. С помощью разработанного пакета программ было проведено исследование сходимости итерационной процедуры, лежащей в основе метода. Показано, что лежащая в основе метода последовательных отражений итерационная процедура, в применении к данной задаче является слабо сходящейся в силу малого размера элементарной периодической ячейки. Для повышения эффективности метода итерационная процедура была модифицирована. Проведенный анализ показал, что скорость сходимости модифицированной итерационной процедуры значительно превышает скорость исходной итерационной процедуры.

Разработан вариант построения полотна ленточной антенной решетки, которая может быть использована в качестве радиопоглощающе-го покрытия, обладающего хорошими характеристиками поглощения в широком секторе углов и в широкой полосе частот. Для определения выявления основных свойств ленточной антенной решетки с помощью строгой математической модели был проведен ряд численных экспериментов. В результате обобщения результатов численных экспериментов показано, что радиопоглощающее покрытие на основе 5-тислойной ленточной антенной решетки позволяет обеспечить поглощение не хуже 20 дБ в полосе частот 120%, а при увеличении числа слоев до 10 становится возможным обеспечить поглощение не хуже 40 дБ в полосе частот 108%.

Разработана математическая модель, позволяющая анализировать характеристики слабонаправленных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы. С помощью разработанной ма-

тематической модели были исследованы характеристики направленности печатных излучателей с двух зондовым и одно-зондовым возбуждением, расположенных на плоских конечных экранах. Показано, что конечность экрана оказывает наибольшее влияние на форму диаграммы направленности в области касательных углов. Проведено исследование характеристик и определены параметры многокольцевого экрана, использующегося в геодезических навигационных системах в целях подавления влияния многолучевости. Полученные численные результаты были подтверждены результатами натурного моделирования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Sutiagin I.V. "Microstrip travelling wave antenna array". Il-nd Student Exchange Seminar Moscow-Munix. Moscow Mai 1991.

2. Филиппов B.C. Сутягин И.В. "Сверхширокополосная ленточная антенная решетка с широкоугольным сканированием". Радиотехника №7-8 Антенные системы и устройства №1, 1995 г..

3. "Sequential reflections method for microstrip antenna array analysis". IV-th Student Exchange Seminar Moscow-Munix. Moscow Mai 1997

4. "Finite ground plane impact on antenna radiation pattern" Y-th Student Exchange Seminar? Moscow-Munix. Moscow Mai 1998

5. V.Filippov, D.Tatarnicov, J.Ashjei, I. Sutiagin, A. Astakov. The First Dual-Frequency Choke-Ring- Proceeding of the 11TH International Tecnicol Meeting of The Institute of The Satellite Division of The Institute of Navigation. ION GPS-98, September 15-18,1998, p.1035.

6. Филиппов B.C., Сутягин И.В., Татарников Д.В. Астахов А.В. «Создание нового поколения высокотехнологичных многофункциональных антенн на основе металло-диэлектрических структур». Отчет по теме ФМ026 (406-98-12) «Интегрированные радиоэлектронные системы нового поколения». МАИ, 1998

Measured Characteristics of Dual Depth Dual Frequency Choke Ring for Multipath Rejection in GPS Receivers V. Philippov, I. Sutiagin, J. Ashjaee, Proc. of the 1999 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1999..

Филиппов B.C., Сутягин И.В. «Применение метода последовательных отражений к решению задачи анализа периодической антенной решетки печатных излучателей» Отчет по теме ФМ010 «Интегрированные радиоэлектронные системы нового поколения». МАИ, 1999

Соискатель

Сутягин И.В.

Введение.

1. Применение метода последовательных отражений к решению задачи анализа периодической антенной решетки печатных излучателей.

1.1. Способ представления сторонних полей

1.2. Характеристики регулярной периодической 27 структуры.

1.2.1. Определение тензорной функции Грина пространственного волновода.

1.2.2. Баланс мощности и уравнения относительно амплитуд базисных функций тока.

1.3. Определение характеристик исходной АР с помощью процедуры последовательных отражений.

1.4 Анализ сходимости итерационной процедуры и результаты численного моделирования.

1.5. Выводы по первому разделу.

2. Сверхширокополосное широкоугольное радиопоглощающее покрытие на основе многослойной ленточной антенной решетки.

2.1. Математическое моделирование многослойных ленточных антенных 98 решёток.

2.1.1. Модель одномерной антенной решётки. Е-поляризация стороннего 98 поля.

2.1.2. Математическая модель двумерной антенной решётки. Произвольная поляризация стороннего поля.

2.2. Результаты численного моделирования.

2.3. Выводы по второму разделу.

3. Влияние конечных размеров и конфигурации экрана на характеристики излучения 13 6 слабонаправленных антенн.

3.1. Определение электрических токов на элементах конструкции излучающей системы.

3.2. Определение поля в дальней зоне.

3.3. Результаты численного моделирования.

3.4. Выводы по третьему разделу.

Диссертационная работа посвящена разработке математических моделей, решению задач анализа и исследованию характеристик следующих типов антенных устройств:

-плоских антенных решеток печатных излучателей сложной формы.

-сверхширокополосных ленточных антенных решеток с широкоугольным сканированием и радиопоглощающих покрытий на их основе -слабонаправленных печатных и пластинчатых излучателей, расположенных на экранах конечных размеров и сложной формы.

Общие конструктивные особенности всех трех типов исследуемых устройств позволяют отнести их к классу печатных антенн. Именно, их конструктивными элементами являются: проводящий экран, один или несколько слоев плоских излучающих элементов расположенных над экраном и параллельных ему, плоскослоистое диэлектрическое заполнение, и, возможно, вертикальные проводники, которые могут относиться к устройству возбуждения, обеспечивать гальванический контакт между элементами разных слоев, или являться частью реактивных нагрузок излучателей. При построении математических моделей, с помощью которых осуществляется анализ перечисленных устройств, в диссертационной работе используются подходы, основанные на методе моментов.

При анализе решеток излучателей, к которым относятся первые два типа исследуемых устройств, используется подход, основанный на теории бесконечных периодических структур, при этом используется представление функции Грина пространственного волновода с плоскослоистым диэлектрическим заполнением. Для уменьшения вычислительной сложности задачи анализа, в случае, когда излучающие элементы антенной решетки имеют сложную форму, в работе используется новый подход, основанный на процедуре последовательных отражений [33].

Анализ одиночных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы, осуществляется с помощью двумерной математической модели, с использованием представления функции Грина для векторного потенциала в спектральной области. Актуальность работы в первую очередь обусловлена необходимостью сокращения времени проектирования и уменьшением затрат на разработку антенных систем, в условиях возрастающих требований к их тактико-техническим, конструктивно-технологическим и стоимостным характеристикам. Это может быть достигнуто посредством использования в процессе проектирования программных средств, сочетающих в себе универсальность и эффективность, основанных на адекватных математических моделях, которые позволяют охватить широкий класс устройств и в то же время не предъявляют высоких требований к вычислительным ресурсам.

Актуальность проблемы исследования печатных антенн определяется их широким использованием в современных радиоэлектронных комплексах. Основными их преимуществами являются высокая технологичность, малый вес, габариты, повторяемость размеров, низкая металлоемкость. Одной из основных трудностей, с которыми приходится сталкиваться при разработке печатных антенн, является их узкополосность. Особенно трудно обеспечить широкую полосу рабочих частот в сканирующих в широком секторе антенных решетках. В диссертационной работе рассматривается вариант построения полотна ленточной антенной решетки, позволяющей обеспечить сверхширокополосное согласование в широком секторе сканирования. Актуальность задачи определения характеристик направленности печатных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы вызвана растущими требованиями к качеству различных радиоэлектронных систем широкого использования, например, систем радионавигации, геодезических радиосистем. В системах этого типа бывает необходимо обеспечить требуемую форму диаграммы направленности, сохраняя при этом низкую стоимость системы, что не позволяет использовать для этих целей дорогостоящие антенные решетки. Во многих случаях нужная диаграмма направленности может быть сформирована посредством выбора соответствующей формы экрана, на котором расположена антенная система. Такой подход оказывается весьма эффективным как с точки зрения достижения заданных тактико-технических характеристик, так и со стоимостной точки зрения. Анализ состояния проблемы.

Начало освоения печатных антенн приходится на первую половину 50-х годов. Одни из первых сообщений об их использовании появились в работах [1]-[3]. На начальном этапе развития антенн этого типа не существовало математических моделей, описывающих печатный излучатель, проектирование осуществлялось посредством экспериментальной отработки. Первые математические модели печатного излучателя, основанные на представлении его в виде длинной линии, нагруженной на проводимости излучения щелей, были представлены в работах [4]-[5] в 1974-1975 годах. В дальнейшем, в результате развития средств вычислительной техники, методы анализа печатных излучателей совершенствовались: в 1977 с помощью резонаторной модели был проанализирован широкий класс микрополосковых антенн [6]-[8], в 1978 впервые в процессе анализа печатных излучателей был использован метод моментов [9], в 1979 - метод конечных элементов [10].

Отдельным направлением развития способов анализа печатных излучателей являются методы, позволяющие описать поведение печатного излучателя в составе антенной решетки. Известные на сегодняшний день методы анализа из этого направления можно разделить на следующие классы:

Поэлементный подход, который характеризуется значительными вычислительными затратами но позволяет анализировать конечные антенные решетки.

Подход, основанный на теории бесконечных периодических структур, который выгодно отличается от поэлементного подхода требованиями к вычислительным ресурсам, но при этом получающееся решение описывает излучатель в составе бесконечной периодической решетки.

Методы краевых волн [31] [32], сочетающие в себе преимущества подхода, основанного на теории бесконечных периодических структур, и в то же время позволяющие анализировать конечные антенные решетки.

Преимущества подходов, основанных на теории периодических структур, определяются возможностью анализировать только один излучатель в периодической антенной решетке. При этом значительно сокращается вычислительная сложность решаемой задачи. Методы краевых волн предполагают использование результатов анализа бесконечной антенной решетки для оценки влияния границ конечной антенной системы. Анализ отдельного и излучателя антенной решетки осуществляется в этих подходах методом моментов. При этом размерность решаемой задачи определяется сложностью конструкции излучателя (число элементов матрицы системы уравнении равно квадрату числа базисных функций, описывающих ток на элементах конструкции излучателя). В печатных антенных решетах конструкция излучателей может быть достаточно сложной, так как возможны варианты построения многослойного антенного полотна с излучателями различной формы в разных слоях, межслойными переходами, требующими подробного электродинамического описания, и сложным устройством возбуждения. Стандартная процедура метода моментов в случае решения задачи для сложного излучателя приводит к задаче высокой размерности. Например, для анализа антенной решетки, в периодической ячейке которой расположены друг над другом 2 излучателя, (размер пластинки 0,5ХХ0,5Х) при использовании кусочно-линейных базисных функций с размером 0,02ХХ0,02Х, число элементов в матрице системы уравнений оказывается равным 2500X2500 = 6250000. Для уменьшения размерности решаемой задачи необходимо учитывать специальные свойства матрицы системы [11]. Поэтому оказывается целесообразным использовать методы, позволяющие снизить размерность решаемой задачи. Представленный в первой главе диссертационной работы метод анализа периодической антенной решетки печатных излучателей включает в себя процедуру автоматического учета специальных свойств матрицы системы уравнений и позволяет снизить размерность решаемой задачи на порядок. Данный подход, предложенный Филипповым В.С, основан на известном методе последовательных отражений и использует представление некоторой эквивалентной регулярной структуры, характеристики которой используются при анализе исходного излучателя. Геометрические особенности печатных металлодиэлектрических структур делают привлекательным их использование в качестве элементов радиопоглощающего покрытия (РПП). Одними из основных требований, предъявляемых к РПП, являются широкая полоса рабочих частот, широкий сектор рабочих углов, высокая поглощающая способность, малый вес, габариты, простота конструкции и лёгкость изготовления. Классифицируя различные варианты реализации РПП по конструктивным признакам и по способу обеспечения требуемых характеристик, можно выделить две основные группы, отнеся к первой те РПП, характеристики которых определяются в первую очередь физико-химическими свойствами материалов, составляющих покрытие (различные диэлектрики, поглощающие лаки и т. п.), а ко второй группе те радиопоглощающие покрытия, которые больше напоминают особым образом разработанную антенную систему, обладающую присущими РПП свойствами. Радиопоглощающие покрытия, принадлежащие к первой группе, отличаются сравнительной простотой изготовления, технологичностью и низкой стоимостью. Однако, им присущ и ряд недостатков, к которым можно отнести подверженность деструктивному влиянию окружающей среды, что особенно сильно проявляется в космосе, в условиях вакуума и сильных радиационных воздействий. В настоящее время известен целый ряд различных вариантов реализации РПП, среди которых наибольшее распространение получили покрытия из различных радиопоглощающих материалов, шиловидные резиновые коврики, поролоновые покрытия "Болото"[12] и другие. Типичной характеристикой РПП является максимальное значение

А V коэффициента отражения в пределах рабочего диапазона длин волн и ширина сектора углов падения волны, в котором коэффициент отражения не превышает некоторой величины. В процессе проектирования радиопоглощающего покрытия стараются обеспечить максимальную полосу рабочих частот в широком секторе углов падения волны при минимальной толщине покрытия. В работах зарубежных и отечественных авторов рассматриваются возможности создания тонких эффективных радиопоглощающих покрытий [13-17]. В работах [17-19] приводятся оценки предельных характеристик РПП для случая нормального падения электромагнитной волны для покрытий состоящих из разного рода радиопоглощающих материалов, которые могут быть описаны указанием комплексных диэлектрической и магнитной проницаемости материала, составляющего покрытие, то есть для покрытий из первой группы. Говоря о достоинствах и недостатках покрытий из второй группы, необходимо отметить более высокую сложность их конструкции, но, с другой стороны, хорошие электрические характеристики и устойчивость к воздействию различных дестабилизирующих факторов. Кроме того, антенные системы, составляющие основу РПП из второй группы, могут быть активными, то есть адаптирующимися определённым образом к разным электромагнитным воздействиям. В процессе реализации РПП на основе печатной антенной решетки существенной трудностью является обеспечение требуемой широкополосности и широкоугольности покрытия. Это объясняется принципиальной узкополосностью печатных излучателей. Во второй главе диссертационной работы рассматривается способ построения полотна ленточной антенной решетки, которая может являться основой широкополосного РПП, работающего в широком секторе углов.

В процессе анализа печатных слабонаправленных антенн обычно делается ряд упрощений, среди которых наиболее существенным является предположение о бесконечности экрана, на котором располагается печатный излучатель. Подобное упрощение вызвано тем, что импедансные характеристики излучателя слабо зависят от размеров экрана, если только экран не слишком мал (больше 1 длины волны). Однако, размеры экрана могут оказывать заметное влияние на форму диаграммы направленности излучателя, а в некоторых задачах форма экрана выбирается специальным образом для обеспечения заданных характеристик направленности. Строгий анализ печатного излучателя, расположенного на экране конечного размера и сложной формы связан со значительными вычислительными трудностями, которые вытекают из большой размерности задачи анализа. В работах зарубежных и отечественных авторов описываются приближенные способы оценки влияния конечного экрана. В работе [20] рассматривается математическая модель печатного излучателя, расположенного на конечном экране прямоугольной формы. В процессе анализа характеристик направленности используется геометрическая теория дифракции. Представленные в работе результаты натурных экспериментов и численных расчетов положительно характеризуют адекватность математической модели. Однако, данная модель не позволяет рассматривать экраны сложной формы и печатные излучатели неординарной конструкции. В работе [21] представлено решение двумерных задач дифракции на экранах сложной формы. В данной работе решение осуществляется методом коллокаций, стороннее поле представляется в виде совокупности Н-поляризованных волн, возбуждаемых бесконечными нитями тока. Такой способ возбуждения не позволяет решать задачи, описывающие поведение печатных излучателей и дифракцию Е - поляризованных волн на произвольном экране. Между тем, такой подход, сводящий решение полноразмерной задачи анализа к анализу некоторого двумерного аналога, оказывается предпочтительным с точки зрения использования ресурсов вычислительной техники. В главе 3 диссертационной работы рассматривается двумерная математическая модель, позволяющая анализировать характеристики направленности печатных излучателей, расположенных на экранах сложной формы, причем поле дифракции является Е - поляризованным. Цель работы

Целью настоящей работы является разработка математических моделей электродинамического уровня, описывающих печатные излучатели сложной формы в составе антенной решетки, позволяющих анализировать направленные свойства одиночных печатных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы и математических моделей для анализа характеристик сверхширокополосных ленточных антенных решеток с широкоугольным сканированием. Также, целью работы является разработка программного обеспечения на основе построенных математических моделей и использование разработанного программного обеспечения для анализа характеристик перечисленных устройств.

Таким образом, целями и задачами данной диссертационной работы являются:

1. Разработка математической модели печатного излучателя сложной формы в составе периодической антенной решетки на основе метода последовательных отражений.

2. Разработка программного обеспечения на основе построенной математической модели, предназначенного для анализа антенных решеток печатных излучателей.

3. С помощью разработанного программного обеспечения оценить скорость сходимости итерационной процедуры, лежащей в основе математической модели, предложить способы позволяющие улучшить сходимость, а также провести серию численных экспериментов для определения характеристик ряда печатных антенных решеток.

4. Оценка возможности использования в качестве радиопоглощающего покрытия многослойной ленточной антенной решетки. Для достижения этой цели разработать математическую модель, программное обеспечение, и проанализировать характеристики данной металлодиэлектрической структуры, оценив ее широкополосные и широкоугольные свойства.

5. Построение математической модели слабонаправленных антенных систем, расположенных на конечных экранах сложной формы. Анализ влияния конечного экрана сложной формы на характеристики направленности антенной системы.

Задачи 1, 2 и 3 решаются в главе 1, задачи 4 и 5 в главах 2 и 3 соответственно.

Методы исследования

В процессе работы над диссертацией использовались различные вычислительные методы электродинамики. При этом применялись как хорошо известные и давно используемые методы, например, метод моментов, так и относительно новый подход - подход к решению задачи анализа периодической антенной решетки, основанный на методе последовательных отражений, в котором также используется на одном из этапов решения задачи метод моментов в сочетании с подходом, основанном на теории периодических структур. При решении вспомогательных задач в работе использовались методы линейной алгебры, теории функций комплексного переменного.

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Разработана математическая модель антенной решетки печатных излучателей с произвольной формой излучающей пластинки основанная на методе последовательных отражений.

2. Модифицирована итерационная процедура, лежащая в основе метода последовательных отражений, что позволило увеличить скорость сходимости метода, доказана сходимость итерационной процедуры для устройств с оммическими потерями и(или) потерями в диэлектрике.

3. Исследован вариант построения антенного полотна многослойной ленточной антенной решетки, которая обладает сверхширокополосными свойствами и может быть использована в качестве радиопоглощающего покрытия.

4. Разработана двумерная математическая модель рассеивающего объекта, позволяющая анализировать влияние конечных экранов сложной формы на характеристики направленности антенн.

Практическая ценность результатов работы

Математическая модель антенной решетки печатных излучателей с пластинкой произвольной формы, разработанная в процессе работы над диссертацией, позволяет снизить размерность решаемой задачи на порядок по сравнению с поэлементным подходом. Эффективность метода значительно возрастает при использовании модифицированной итерационной процедуры. Результаты математического моделирования пластинчатых (печатных) излучателей над проводящим экраном сложной формы внедрены во Всероссийском НИИ радиотехники (ВНИИРТ) в разработке антенной системы по теме «Восток». На основе указанных результатов выбрана геометрическая форма и размеры проводящего экрана антенны канала управления наземного радйозапросчика, что позволило сформировать требуемую форму диаграммы направленности, сократить объем экспериментальных исследований и время на разработку антенны. Факт использования результатов работы подтвержден актом внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Разработанная математическая модель периодической антенной решетки печатных излучателей с пластинкой произвольной формы, основанная на методе последовательных отражений, позволяет снизить размерность решаемой задачи и анализировать характеристики широкого класса печатных излучателей.

2) Для повышения эффективности математической модели следует использовать модифицированную итерационную процедуру, позволяющую сократить время решения задачи анализа/

3) Многослойная ленточная антенная решетка может быть использована в качестве радиопоглощающего покрытия,

X V/ обеспечивающего сверхширокополосный режим работы в широком секторе углов. 4) Двумерная математическая модель пластинчатого излучателя, расположенного над экраном сложной формы конечных размеров может быть использована для анализа характеристик направленности слабонаправленных антенных систем.

Публикации и апробации

По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы ([42]-[44]), Сделаны следующие 3 доклада на научно-технических конференциях ([45]-[47]), материалы работы были использованы в двух отчетах по НИР ([48]-[49])

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 170 листах машинописного текста, включая 30 листов иллюстраций. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 49 наименований.

3.4 Выводы.

Для оценки направленных свойств одиночных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы может быть использована разработанная двумерная математическая модель, которая в силу двухмерности не предъявляет жестких требований к вычислительным ресурсам, и, в то же время позволяет выявить основные закономерности, присущие характеристикам направленности антенных систем с конечными экранами.

На основе построенной математической модели был разработан пакет прикладных программ, с помощью которого был проанализирован ряд конструкций, оценены их характеристики направленности.

Результаты математического моделирования пластинчатых (печатных) излучателей над проводящим экраном сложной формы внедрены во Всероссийском НИИ радиотехники (ВНИИРТ) в разработке антенной системы по теме «Восток». На основе указанных результатов выбрана геометрическая форма и размеры проводящего экрана антенны канала управления наземного радиозапросчика, что позволило сформировать требуемую форму диаграммы направленности, сократить объем экспериментальных исследований и время на разработку антенны. Факт использования результатов работы подтвержден актом внедрения.

Разработанный с помощью пакета прикладных программ двухчастотный многокольцевой экран для систем спутниковой навигации и геодезии обеспечивает лучшее подавление многолучевости по сравнению с обычными одночастотными экранами.

АН

4. Заключение

В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленными целями и задачами

1. На основе метода последовательных отражений разработана математическая модель антенной решетки печатных излучателей сложной формы.

2. Показано, что данный подход позволяет сократить вычислительную сложность задачи анализа по сравнению со стандартным подходом, основанным на методе моментов.

3. На основе построенной математической модели был разработан пакет прикладных программ, позволяющий анализировать печатные антенные решетки с излучателями сложной формы. С помощью разработанного пакета программ было проведено исследование сходимости итерационной процедуры, лежащей в основе метода. Показано, что лежащая в основе метода последовательных отражений итерационная процедура, в применении к данной задаче является слабо сходящейся в силу малого размера элементарной периодической ячейки. Доказана сходимость итерационной процедуры для случая наличия оммических потерь и потерь в диэлектрике. Для повышения эффективности метода итерационная процедура была модифицирована. Проведенный анализ показал, что скорость сходимости модифицированной итерационной процедуры значительно превышает скорость исходной итерационной процедуры.

4. Разработан вариант построения полотна ленточной антенной решетки, которая может быть использована в качестве радиопоглощающего покрытия, обладающего хорошими характеристиками поглощения в широком секторе углов и в широкой полосе частот. Для определения выявления основных свойств ленточной антенной решетки с помощью строгой математической модели был проведен ряд численных экспериментов. В результате обобщения результатов численных экспериментов показано, что радиопоглощающее покрытие на основе 5-тислойной ленточной антенной решетки позволяет обеспечить поглощение не хуже 20 дБ в полосе частот 120%, а при увеличении числа слоев до 10 становится возможным обеспечить поглощение не хуже 40 дБ в полосе частот 108%.

5. Разработана математическая модель, позволяющая анализировать характеристики слабонаправленных излучателей, расположенных на конечных экранах сложной формы. С помощью разработанной математической модели были исследованы характеристики направленности печатных излучателей с двух зондовым и одно-зондовым возбуждением, расположенных на плоских конечных экранах. Показано, что конечность экрана оказывает наибольшее влияние на форму диаграммы направленности в области касательных углов. Проведено исследование характеристик и определены параметры многокольцевого экрана, использующегося в геодезических навигационных системах в целях подавления влияния многолучевости. Полученные численные результаты были подтверждены результатами натурного моделирования.

1. G.A. Deschamps "Microstrip microwave antenna", presented at the 3-rd

2. USAF Symp. on Antennas. 1953

3. H. Gutton and G. Baissinot, "Flat aerial for ultra high frequencies", French1. Patent No. 703113,1955.

4. L. Lewin "Radiation from discontinuities in stripline" in Proc. Inst. Elec.

5. Eng., vol. 107, pt. C, Feb. 1960, pp. 163-170.

6. R. E. Munson, "Conformal microstrip antennas and microstrip phasedarrays", IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. AP-22, no.l, pp 74-77, Jan. 1974

7. A. G. Derneryd, "Linear microstrip array antennas", Chalmer Univ. Technol., Goteborge, Sweden, Tech. Rep. TR 7505, Oct. 1975.

8. Y.T. Lo, D.D. Harrison, D. Solomon, G.A. Deschamps, and F.R. Ore,

9. Study of microstrip antennas, microstrip phased arrays and microstrip feed networks", Rome Air Development Center, Tech. Rep. TR-77-406, Oct 21, 1977

10. A.G. Derneryd, "A theoretical investigation of the rectangular microstripantenna element", Rome Air Development Center, Tech. Rep. TR-77-206, June 1977

11. L.C. Shen, S.A. Long, "Low profile printed circuit antennas", Dept Elec.

12. Eng., Univ. Houston, TX, Contract DAAG-29-75-0187, Final Rep. June 1977

13. E.L. Newman, "Strip antennas in a dielectric slab", IEEE Trans. Antennas

14. Propagation, vol. AP-26, no. 5, pp. 647-653, Sept. 1978

15. K.R. Carver and E.L. Coffey, "Theoretical investigation of a microstrip antenna", Physic and Sci. Lab., New Mexico state University, Las Cruces, Tech. Report PT-00929, Jan. 23, 1979.

16. Pries D.H. Toeplitz matrix: its occurrence in antenna problems a rapid inversion algorithm. IEEE Trans, on Antennas and Propagation. 1972. Vol. AP-20 No 2. P. 204-206.

17. А.М.Чернушенко, Б.В.Петров, Л.Г.Малорацкий и др. Под редакцией А.М.Чернушенко. «Конструирование экранов и СВЧ устройств» -М.: Радио и связь, 1990 е.: ил.

18. K.J.Vinoy and R.M.Rha. Radar Absorbing Materials, KluwerAcad. Publishers, 1996.

19. G.Ruck, Ed. Radar Cross-Section Handbook. -NY, London: Plenum, 1970 V.2, Ch.8

20. Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ излучение. М.: Наука, 1982

21. P.G.Lederer, An Introduction to Radar Absorbent Materials. London, 1986.

22. Розанов K.H., Данилов A.B., Старостенко C.H, Семененко В.Н., Предельная широкополосность радиопоглощающих покрытий. Москва МАИ 1998 Аннотированный отчет по теме К0800.

23. E.F.Knott, J.F.Shaeffer, and M.T.Tuley, Eds. Radar Cross Section: Its Prediction, Measurement and Reduction. Dedham: Artech House, 1985.

24. H.F.Harmuth, IEEE Trans, on EMC, v.25? No. 1, p32-39, 1983.

25. J. Huang, The Finite Ground Plane Effect on the Microstrip Antenna Radiation Pattern. IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. AP-31, no 4, pp. 649-653, July 1983.

26. Liu С.С., Shmoys J., Hessel A. E-plane performance tradeoffs in two-dimensional microstrip patch element phased arrays IEEE Trans. Antennas and Propagation, 1982, Vol 30 N6, pl201-1206

27. D.M Pozar, D.H.Schaybert Analysis of an infinite array of rectangular microstrip patches with idealized probe feeds. "EEE Trans" pi 101-1107 1984, V. AP32,N10

28. Liu C.C., Shmoys J., Usoff Joseph M Plane wave reflection from microstrip patch arrays theory and experiments IEEE Trans., 1985, Vol 33 N4, p426-435

29. Pozar Darrd M. General relations for a phase array of printed antennas derived from infinite current sheets IEEE Trans. Antennas and Propagation, 1985, Vol 33 N5, p498-504

30. Филиппов B.C., Шатохин Б.В. Характеристики прямоугольных печатных излучателей в плоских ФАР. В сб «Машинное проектирование устройств и систем СВЧ», под редакцией Никольского В.В., МИРЭА, М., 1981, с58-77.

31. Филиппов B.C. Характеристики печатных излучателей в плоских ФАР. «Известия вузов. Радиоэлектроника», 1981, т.24, №2, с.44-48.

32. Филиппов B.C. Сапожников А.А. Метод заряда в задаче математического моделирования печатных излучателей. В сб. «Машинное проектирование устройств и систем СВЧ», под ред. Никольского В.В., МИРЭА, М., 1982, с.138-149.

33. Филиппов B.C. Раздолин A.M. Квазиоптическое возбуждение циллиндрической решетки. В сб. «Фазированные антенные решетки», МАИ, М. 1981, с.78

34. Филиппов B.C. Шатохин Б.В. Импедансные и поляризационные характеристики прямоугольных печатных излучателей в плоских ФАР. «Изв. вузов. Радиоэлектроника», 1983, т.26, №2, с.91-92.

35. Филиппов B.C. Шатохин Б.В. Характеристики печатных излучателей с круговой поляризацией в плоских ФАР. «Изв. вузов. Радиоэлектроника», 1984, т.27, с.53-59.

36. Филиппов B.C. Краевые волны в конечных антенных решетках. -«Изв. вузов. Радиоэлектроника», 1985, т.28, №2, с.61-67.

37. Филиппов B.C. Метод краевых волн в теории конечных антенных решеток. в сб. «Проектирование радиолокационных и антенных устройств с применением ЭВМ», МАИ, М. 1985, с.43-46

38. B.C. Филиппов «Обобщенный метод последовательных отражений в теории конечных антенных решеток» ISSN 0021-3470 Радиоэлектроника №2, Киев 1991

39. B.C. Филиппов «Математическая модель и результаты исследования характеристик печатных излучателей в плоских ФАР» «Антенны. Сборник статей. Москва, Радио и Связь» 1985г

40. Я.Н. Фельд, J1.C. Бененсон "Антенно-фидерные устройства" издание ВВИА им. Жуковского, 1959

41. Канторович Л.В., Крылов В.И. «Приближенные методы высшего анализа» Москва 1950

42. Амиттей Н., Галиндо В., By Ч. «Теория и анализ фазированных антенных решеток» Мир, Москва 1974

43. С.Л. Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Москва, Мир 1990.

44. Д.М. Сазонов Антенны и устройства СВЧ. М. Высш. школа 1988.

45. Хенл X., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. М.: Мир. -1964.

46. Кудин В.П., Луханин И. И., Ушаков Ю.С. Анализ отражательной ФАР модульного построения. Радиоэлектроника. 1989 №2. (Изв. высш. учеб. заведений)

47. Филиппов B.C. Сутягин И.В. "Сверхширокополосная ленточная антенная решетка с широкоугольным сканированием". Радиотехника №7-8 Антенные системы и устройства №1, 1995 г.

48. Measured Characteristics of Dual Depth Dual Frequency Choke Ring for Multipath Rejection in GPS Receivers V. Philippov, I. Sutiagin, J. Ashjaee, Proc. of the 1999 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1999.

49. Филиппов B.C., Сутягин И.В. «Применение метода последовательных отражений к решению задачи анализа периодической антенной решетки печатных излучателей» Отчет по теме ФМ010 «Интегрированные радиоэлектронные системы нового поколения». МАИ, 1999