автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Плоские коллиматоры для измерения электродинамических характеристик рассеивателей

ДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНВДЕРСИталГ

•|>Гб од

На правах рукописи

6 / И0.1 1305*

ЛЕЩУК Иван

УДК 621.396.677.029.64: 621.396.67

ДШ1 ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕИВАТЕЛЕЙ

05.12.21 - радиотехнические системы специального назначения, . включая технику СВЧ и технологию их производства 05.12.07 - антенны и устройства микроволновой техники .

Автореферат диссертации на соискание ученой с+спсин кандидата технических наук

Одесса • 1995

Работа выполнена в Украинской Государственной Академии связи и! А.С.Попова

Научные руководители:

Официальные ошзоиенты::

- кандидат технических наук, доцент Марцафен В. В.

- кандидат технических наук, доцент Цалиеа Т.А.

-доктор технических наук, профессор Власенко В.А.

- кандидат технических наук, доцент Саркисянц В.А.

Ведущее предприятие: Украинский научно-исследовательский . институт стандартизации, сертификат! и информатики (г. Киев)

Защита диссертации состоится ноября 1995 г. в Й- часов заседании Специализированного Совета Д 05.06.05 в Одесском государств ном политехническом университете по' адресу: 270044, Украина, г. Ода проспект. Шевчшгщ, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан *№ 9 1993 г.

Ученый секретарь

Специализированного Соат,

K--T.it., доцент —ср> Еримнчой Илья Николае

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, Тенденцией современного развитая измерителей ЭДХ РЛЦ к антенн является их комплексирование, предполагающее объединение некоторого чнсла> измерителей в единую автоматизнровайнук) измерительно-информационную систему (АИИС).

Составной частью АИИС является измерительная установка, позволяющая измерять ЭДХ аттестуемых объектов в поле плоской волны, создаваемой специальным устройством - коллиматором, размещенным в безэхо-вой камере (БЭК) компактного радиополигона. Традиционно в качестве коллиматоров используются СВЧ-усгройсгва квазиоптического типа - Линзовые и зеркальные антенны, профиль рабочей поверхности которых представляет собой кривую второго порядка, что обусловливает определенные трудности в процессе их изготовления и эксплуатации; в некотЬрых случае ях, например, при исследовании ЭДХ обьекгов средних и больших размеров, затраты на изготовление крупного линзового либо зеркального коллиматора могут превысить затрат ы на изготовление контролируемого изделия, что экономически нецелесообразно.

В этой связи, актуальной является задача разработки и исследований конструктивно несложных, экономически эффективных и удобных для размещения в БЭК установок, формирующих квазиплоские Поля; йДИсШ^ёМен» но приобретают значимость вопросы оценки точностных характеристик измерительных комплексов с коллиматорами.

Одним из возможных путей решения данной проблемы является не* пользование в качестве коллиматоров СВЧ-уетройств с плоской зонированной излучающей поверхностью - плоских зонированных коллиматоров (ПЗК), простейшие конструкции которых пазмват антеннами Френеля (ЛФ). К основным достоинствам ПЗК можно отнести: конструктивную простоту, высокую технологичность изготовления, небольшие габариты н вес, низкую себестоимость, улучшенные характеристики согласования и передачи в рабочей диапазоне частот.

Цел?» работы. Разработка и исследование СВЧ-коллима торов с плоской зонированной излучающей поверхностью; решение задач связанных с повышением точности измерений и минимизацией стоимости компактных измерительных полигонов АИИС.

Задачи исследовании. которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1. Создание на основе принципов еистеШЮ-ЭЛектродНнамическо! ;> моделирования адекватных математических моделей исследуемых нзм'-рн-телышх комплекса с ПЗК и разработка электродинамически корректной методики их ;:пл.п:,.:.

2. Теоретическое исследование ф(М;у№|Л'шт<г '-мпраВлеИМЫХ и рассеивающих свойств ПЗК различит ИШой с цель:: «»., '.чгеНий й'х Ьотешш-злышх вшгетжисстга п усоасршгнтовяшя конструкции»

„ «

3. Разработка метода коррекции геометрии ПЗК с целью уменьшена.' неоднородности фтювого распределения поля в излучающем раскрыве.

4. Разработка корректного алгоритма оценки качества поля коллима гора при измерениях-характеристик рассеивателей. Л

5. Численный анализ характеристик эталонных рассеивателей в колли мированном поле с целыо оценки возможных погрешностей измерений.

6. Экспериментальное исследование характеристик ПЗК.

Методы исследования. В работе используются результаты н метода следующих теорий: системного анализу, дифракции, линейной алгебры интегральных уравнении, распространения и рассеяния волн, специальны: функций, а также аппарат теории вероятностей. Существенное место зани мают методы эксперимент алм юга исследования устройств СВЧ и числен ные мегоды с широким применением современных ЭВМ.

Научит пошипа работ:,;.

1. Предложена строгая методика дифракционного анализа коллима торных установок с плоской зонированной излучающей поверхностью учшывпщая специфические особенности СВЧ-устройств этого класса.

2. Рафабозаны, а 1акже теоретически и экспериментально исследова ны : плоские зеркальные СВЧ-коллимагоры; плоские и квазиплоские зони рог.п.нныс линзовые СВЧ-коллпматсры.

3. Предл.о"д';<"1 метод фазовой коррекции геометрии плоских зонирс ванных коллиматоров, поыюляющнй уменьшить неравномерность амшн тудно-фазового распределения (АФР) поля в рабочей области коллиматс ра.

4. Предложен алгоритм оценки качества поля коллиматора при изм( рсниях характеристик рассеивателей, основанный на вероятностных крип риях.

5. Разработаны численные алгоритмы и пакеты прикладных програма позволяющие исследовать'работу компактного полигона с плоскими koj лиматорамн, а также другие системы рассеивателей.

основных положений, результатов выводов, полученных в работе, определяют: использование адекватных mí тематических моделей, учитывающих основные физические процессы, пр< исходящие в реальных устройствах; применение корректного математич ского аппарата для изучения явлений в используемых моделях; соглао .экспериментальных и теоретических результатов. В процессе численых ра четоа осуществлялись: контроль за выполнением граничных условий условий tía ребре; анализ внутренней сходимости численного решения т тегральных уравнений при варьировании числа узлов интерполяции.

Практическая ценность работы.

1, Разработана электродинамически корректная методика анализа пл скнх линзовых н зеркальных коллиматорных установок, построенная i основе строгих методов теории дифракции в сочетании с системным дву этапным подходом к анализу характеристик исследуемых коллиматоров.

2. Определены оптимальные параметры конструкций и выявлены паи-юлее общие закономерности поведения характеристик линзовых и асим-¡етричных.зЬркальных ПЗК. Установлены, преимущества ПЗК с обобщении зеркалом Френеля и сформулированы предложения по их практи-1ескому применению.

3. Приведены формулы и выработаны рекомендации для расчета пло-кнх зонированных линз и асимметричных зеркал различных типов. Сформированы рекомендации по оптимальной компоновке СВЧ-элементов омерительных установок с ПЗК.

4. Предложена конструкция модифицированной линзы Френеля МЛФ) с улучшенными электродинамическими характеристиками.

5. Исследованы и проанализированы фокусирующие, коллнмирующне, яссеивагощие и направленные свойства ПЗК. Проведено сопоставление сновных характеристик ПЗК с характеристиками параболических колли-гаторов (и антенн (ПА)); оценены преимущества и недостатки.

6. Проведен дифракционный анализ характеристик специальных облу-ателей (расфазнрованных рупорных антенн с изломом образующей, пово-отом оси и косым срезом раскрыва), предназначенных для облучения симметричных зеркальных коллиматоров.

7. Определены границы рабочей области плоских коллиматоров и оце-ена максимально ожидаемая погрешность измерений характеристик рас-гяння исследуемых объектов а коллимированном поле.

В. Разработан метод фазовой коррекции геометрии зонированных линз зеркал коллиматоров, что позволяет проектировать экономически эффек-ивные АИИС с улучшенными характеристикам».

9. Разработан алгоритм оцанки качества пол>. коллиматора, оснований на вероятностных критериях, что позволяет, в отличие ог траднцнон-ых подходов, более объективно оценивать максимально ожидаемую по-рсшность в динамическом диапазоне измерении коллиматора.

10. Исследованы характеристики рассеяния эталонных рассеивателей азличных типов, "чувствительных" к неравномерности амплитуды и фазы оля в рабочей области коллиматора.

Предложенные способы зонирования и коррекции геометрии плоских низ и зеркал могут быть перенесены в область акустики, оптики. Кон-грукцин зонированных линз и'зеркал со скорректированной геометрией ;комендуготся для применения на компактных радпополигонах АИИС в 1честае коллимирующих устройств, а также в спутниковых, системах связи качестве недорогих и легко адаптирующихся к форме поверхности (на ко->рой предполагается их размещение) антенн для приема сигналов испо-)едственного телевизионного вещания.

В целом, приведенные в диссертационной работе результаты, оценки и жомеидацни могут быть использозапм при проектировании коллимиру-их устройств СВЧ диапазона поли.

Реализация результатов р'-гГю п.;. Рсзульташ теоретических и зкепери-еиталькых исследований, прниелоннь:.: а диссертационной работе, нашли

практическое применение в научных разработках СКТБ института usxasin-ки Национальной академии наук Украины, что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 3-й Крымской конференции и выставке "СВЧ-техника й спутниковый прием'' (Севастополь, 1993 г.), Международной конференции "Спутниковые системы связи и вещания. Перспективы развития в Украине" (Одесса, 1993 г.), 4-й Крымской конференции и выставке "СВЧ-техника и спутниковый прием" (Севастополь, 1994 г.), Международной НТК "Современная радиолокация" (Киев, 1994 г.), Международном симпозиуме "Progress in ElcclroMagnetics Research Symposium" PlERS-95 (США, Сиэттл, 1995 г.), 11-й Международной конференции по радиосвязи, звуковому и телевизионному вещанию (Одесса, 1995 г.). на Технических Советах СКТБ института механики HAH Украины (Киев, 1994 г.), НТК профессорско-преподавательского состава Украинской Государственной Академии связи им. А.С.Попова (Одесса, 1991-1994 гг.).

Публикации. Основные научные результаты и выводы диссертации отражены в 15-ти публикациях.

Основные положении пыноснмыс на зпчпггу,

1. Автоматизированная измерительно-информационная система с плоским зеркальным СВЧ-коллнматором.

2. Конструкции плоских коллиматоров с улучшенымн рабочими характеристиками в зоне измерений. Результаты теоретического и эксперт ментального исследования ЭДХ плоских линзовых и асимметричных зеркальных коллиматоров.

3. Методика дифракционного анализа коллндаторпых установок s плоской зонированной излучающей поверхностью.

4. Метод фазовой коррекции геометрии плоски-; зонированных нзлу чающих поверхностей. Дифракционный анализ коллиматоров со скоррск тированной геометрией.

5. Алгоритм оценки качества поля коллиматора при измерениях характеристик антенн и рассенвагелей, основанный на вероятностных критериях Анализ характеристик рассеяния эталонных рассеивателей в поле плоской коллиматора.

Структура.!) ..обшитссергйшш, Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и тре: приложении. Объем работы - 166 страниц. Основная часть содержит 106 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 9 таблиц.

' ' , СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Bo.piitagmm диссертационной работы содержится обоснование акту алытстн разрабатываемой темы, сформулированы цель н задачи иссяедо caunil, дано краткое содержание работы и перечислены новые научные ре ■чьтаты и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию возможности использования в ;ачестве коллиматоров плоских зонированных зеркальных систем. Прове-;сн анализ отечественной н зарубежной литературы, позволивший охарактеризовать состояние проблемы, рассмотрены физические принципы н геометрические соотношения для расчета зеркальных зонированных нчлу-laioiiHix поверхностен различных типов.

Рассматривается АПИС с ПЗК (рис. 1). Рабочая поверхность ПЗК со-1мешена с одно!! из торцевых стенок экранированной БЭК компактного тдиопйлигона, входящей в состав АИИС. В качестве ПЗК используется пециальная асимметричная АФ со скорректированной геометрией зеркала, »блучаемого расфазированным рупором с изломом образующей поворотом оси и косым срезом расчрыва.

Идея создания классических ПЗК базируется на принципе Гюйгенса-Ррснеля и понятии зон Френеля. Обычно, простейший ПЗК содержит пло > кий зонированный рефлектор, состоящий из тонкой диэлектрической под-южки с металлизированными кольцевыми полосами и трансформирующий ферический (либо цилиндрический) фронт волны облучателя! расположенного в фокусе, в квазиплоский.

В отличие от традиционных способов зонирования в диссертационной >аботе предлагается новый и, как установлено, более эффективный прин-1ип зонирования асимметричного зеркала, в соответствии с которым ¿го юверхность разбивается относительно точКн F (фокуса зеркала) на, так тзываемые, обобщенные зоны Френеля. При этом выполняется условие рис. 2):

■де п - номер зоны, к - средняя длина волны рабочего диапазона чйствт; М -

шраметр дискретизации фазы, М-2,3......

Радиусы обобщенных зон Я, определяются в результате ¡Зешення 'равнения:

•де / ' фокусное рассгояш^ -к^ту -ии/А*); sir? = sin<Vsmp> в ii умы сферической системы координат. Для обеспечения еинфазноем» ноля й излучающем раскрыве, учасг ерзала, Принадлежащие зонам, смешаются вдоль фокальной осп. Величина :МсЩеШШ п - ой зоны dn определяется по формуле:

К = К +й-*' М н

(i)

Й* tW у - lii^sin у - б,

(3)

rf. =

A?(l+cosr90)

Экр41

Рис. I. Автоматизированная измерительно-информационная система с плоским коллиматором

» M=2 . ! I —*-i—(-*- У Г y'

D к

К (NA\

f F V X

PlîC. î

гдеЕ{(н-1)/л/} - целая часть от Цп-1)!М]. При этом, в общем случае, фор мируегся квазиплоский фронг волны, распространяющейся под углом ] фокальной оси.

Далее, в соответствии с разработанной в диссертационной работе мс тодикой, на основе численного решения интегрального (Е-поляризация либо ннтегродиффсренцпального (Н-полярнзация) уравнения относитсльн плотности повер.чиоепкн о тока, наведенною на элементах зеркала па дающим полем*, проводился анализ двумерных моделей ПЗК.

На первом этане решалась задача дифракции плоской волны на зеркг ле, определялась гоки и затем рассчшывалось поле в фокальной обласп Анализ фокусирующих свойств ПЗК показал наличие смешение нстннног положення фокуса относительно геометрическою, которое происходит сторону зеркала-вдоль биссектрисы угла облучения. При этом фокальнс пятно у ПЗК имеет меньшие размеры (примерно на К)"«). чем у ПА.

На втором - зеркало облучалось нитевидным источником, помете! ньш в найденный фокус, и рассчитывались АФР полей в ближней зоне п лучения ПЗК, диаграммы направленности (ДН) и коэффициент усиленг (КУ), Расчеты проводились дли различных типов ПЗК. Использование ш тевидного источника дало возможность исследовать характеристики зеркг вне зависимости от особенностей ДН и частотных свойств конкретно н пользуемого облучателя.

В качестве иллюстрации, на рисунках 3 и 4 представлены АФР вторн ного поля (при облучении зеркала нитевидным источником) в ближней 31 не, на контуре параллельном раскрыву зеркала. Результаты приведены д» ПЗК раскрывом О = 1 и//0=0.7 {случай Н-иолярнзацин) при разлнчнь значениях параметра дискретизации фазы М. Видно, что при Л/ = 3 набл! дается выравнивание АФР, что свидетельствует о возможности улучшен: характеристик ПЗК путем, подбор;; оптимального значения параметра ди кретизации фазы Л/. Исследования 1ГЗК, ¡посчитанных при наклоне во ноною фронта (информация о степени наклона закладывается'непосре С1венно в 1еометрню зеркала при его расчете), показали, что в этом случ АФР поля в ближней зоне существенно улучшается, когда угол 0а прнн маеч значения ¡0°..]5°(рис. 5). При этом антенны, формирующие главш максимум ДН под углом о.л к фокальной оси обладаю! более высокими и правленными свойствами (рис. б) но сравнению с антеннами, нзлучающи: вдоль фокальной осп ((>„ = 0). Выигрыш в КУ составляет (1...1.5)дБ, а д каждого значения параметра //£> существует опт:малыше значение уг «„.,„ при котором КУ максимален. Так, например, для //£>-0,7 оцтпма; нып угол составляет 12° градусов (см. рис. 6).

*) Злчаров К.В., Ннмспои Ю.В. Численным тгдлт дифракции радиоволн. - М.: Ради сияя.. - 183 с.

!!

Установлено, что изменение величины смещения соседних тон (/,, длиннофокусного зеркала относительно слабо влияет на фокусирующие, коллнмирующне и направленные свойства ПЗК, что косвенно свидетельствует о слабо выраженной частотной завнсимостн ПЗК с обобщенным зеркалом Френеля.

В результате численного эксперимента определено оптимальное (<: точки зрения получения максимального значения КУ н наиболее равномерного АФР поля в раскрыве) отношение (//£>)„,, =0,7.

В целом, результаты дифракционного анализа ПЗК с обобщенным зеркалом (Л/>2) позволяют утверждать, что они обладают лучшими качественными показателями, чем ПЗК, зонированные классическим способом (М-2).

При использовании ПЗК на компактных раднополпгонах, цедееооо-разно применять зеркала при значениях параметра дискретизации файл Д/=?. М-4 и угле наклона фронта волны 0, » 10°. Такой выбор параметров зеркала позволяет, кроме прочего, снизить уровень переотражепнй между облучателем, зеркалом коллиматора и испытуемым объектом, и, следовательно, уменьшить погрешность измерена:! характеристик антенн и рассеп-вателей.

В заключительном разделе главы, па основе строгого электродинамического подхода, анализируются характеристики (ДН, фазовые диаграммы) специальных облучателей, предназначенных для облучения плоских конструкции зеркальных антенн я вынесенным облучателем. Оцениваются преимущества'и недостатки расфазированных рупоров с изломом образующей, поворотом оси и косым срезом раскрыва, а также рупоров с косым срезом раскрыва.

Во торой г.т.'вс анализируются результаты дифракционного аиалта плоских линзовых коллиматоров.Наряду с классическими зонированными линзами Френеля (ЗЛФ) рассматриваются линзовые антенны принципиально нового типа, так называемые модифицированные линзы Фреиел.т (МЛФ).

В простейшем варианте излучающая поверхность ЗЛФ образована системой плоских металлических кольцевых элементов, нанесенных в виде покрытия на топкую диэлектрическую подложку (рис. 7). Недостатком антенн, включающих в себя ЗЛФ, являетсЭ невысокий КУ н значительная ,ге-равномерноегь АФР поля в ближней зоне, поскольку более половины энергии, падающей на линзу, теряется.

В диссертационной раооте предлагается модифицированный варншп двумерной линзы Френеля (МЛФ), обладающей улучшенными электродинамическими характеристиками. Основное отличие конструкций ЗЛФ н МЛФ состоит в различии способа устранения влияния противифа ¡ноип соседних зон на излучающей поверхности. При этом меняет си сам мочат. !м трансформации волнового фронта облучателя линзой, так как теперь практически все падающее поле концентрируется в прямом направлении.

У

I S

Рис.6

Рис.8

D R2» „: У

• -к f F X

S ■L • -

Рис. 7

Рис.9

С иелыо иллюстрации принципа действия МЛФ рассмотрим плоскую поверхность 5 (рис. 8), разделенную на зоны в соответствии с условием (1) при значении М~2. Исключение противофазных участков на 5 (в данном случае :по четные зоны) можно произвести, затеняя их - разместив вблизи этой поверхности систему металлических экранов. Расстояние до т - го экрана можно выбрать, например, равным радиусу (2т-1)-й зоны Френеля (частый случай), а ширину экрана определить (в приближении ГО) по формуле:

Далее в этой главе, методом интегрального уравнения (случай Е-поляризации) проводится чнеленый анализ двумерных моделей ЗЛФ и МЛФ. Как показали расчеты, учет дифракционных явлений (при облуче-»чн симметричной линзы плоской волной) проявляете., в частности, в виде смещения положения фокальной точки относительно рассчитанного фокуса на величину (0,05...0,1) д. длз МЛФ и (0,4...0,7) X для ЗЛФ вдоль фокальной оси. Одновременно, сравнивая фокусирующие свойства ЗЛФ и МЛФ", отметим, что ширина фокального пятна МЛФ в среднем на (5... 10) ?<> меньше чем ЗЛФ.

Об эффективности использования исследуемых линз в качестве кол.ш-мирующего устройства можно судить по характеру ЛФР поля в плоскости параллельной раскрыву (при облучении нитевидным источником), представленных в виде графиков на рис. 9 и 10. Как видно, расчеты ЛФР поли на удвоенном расстоянии (ЗОЛ) от раскрыва, показывают, что облаем, поля, в которой осцилляции амплитуды не превышают (/... 1.5) дБ, а фа.>м 10°... 15°, состаг.ляст (при //0 = 0,4) для МЛФ примерно 0,Ш, для ЗЛФ к этой же области, максимальная неравномерность полт значительна и достигает 7 дБ и 20° соответственно.

. Рассматриваются также направленные и рассеивающие свопа «а исследуемых моделей линз. Как установлено, в случае МЛФ наблюдается некоторое сужение главного лепестка ДН (по сравнению с ЗЛФ) ¡три одновременном снижении (в среднем па (2...3 дБ) ) уровня бокового излучения и росте КУ по сравнению с ЗЛФ на (1,5...2) дБ. Сравнительный анализ характеристик рассеяния в поле плоской волны и при'облучении нитевидным источником, помещенным в фокусе линзы, позволил выявить определенные преимущества МЛФ перед ЗЛФ. Для МЛФ характерен пониженный уровень поля рассеянного в обратном направлении. Так, при. облучении плоской волной амплитуда поля в области обратного рассеяния в'срсшем на {10...15) дБ ниже чем для ЗЛФ, что свидетельствует о меньшей , л;шоло-кацнонной заметносги МЛФ. В поле цилиндрической волны, ког;"< инк расположен в фокусе линзы, наблюдается перераспределение рг.с ного поля: в прямом направлении амплитуда поля, для МЛФ, вон;.. , т (по сравнению с ЗЛФ), одновременно уменьшаясь в обратном. Эю по;, ляет считать, что "реакция линзы" на облучатель, в случае МЛФ, будет

w

меньше, а коэффициент использования поверхности (КИП) выше чем у ЗЛФ.

ЗЛФ и МЛФ целесообразно использовать в качестве недорогих и конструктивно несложных фокусирующих, коллимнрующих и излучающих устройств в различных областях пауки и техники. В случае использования линз в качестве коллиматоров, предпочтение следует отдавать МЛФ. Это позволит, кроме прочего, уменьшить переотраження в системе облучатель-кол л i ш а ю р - аттестуем;,! и объект, и, следовательно, повысить точностные характеристики измерительного комплекса в целом.

Третья глава посвящена вопросам аттестации антенн и рассеивателей коллиматорным методом; разработке метода коррекции геометрии линз и зеркал плоских зонированных коллиматоров; разработке алгоритма оценки качест ва поля коллиматоров, основанного на вероятностных критериях.

Предлагается алгоритм оценки качества поля коллиматора при измерениях характерист;^, titchh и рассеивателей. Показано, что в силу статистической природы факт оров, влияющих на качество поля в рабочем объеме измерительного комплекса, объективными можно считать лишь оценки, основанные на вероятностных критериях.

Рассмотрим эталонный объект (антенну либо рассеиватель), для которого на основании строгих электродинамических методов рассчитана задаваемая внешняя характеристика /0(р). Путем дискретизации /„(?') по <р можно образовать совокупность значений где х„ =/„($,), а

п-1,2,3,... .Л', и рассматривать эти выборочные значения, как значения, принимаемые дискретной случайной величиной

Пусть /,(.;о) есть измеренная характеристика этого же объекта. Можно рассматривать совокупность выборочных значений ■ где

v„ = /,(?>) как значения, принимаемые дискретной случайной величиной >/, при тех же значениях <р.

Статистические свойства двух случайных величин £ и г;, принимающих значения х-,,х2,и >',,>',,...,.)'„, соответственно, характеризуются плотностью вероятности каждой из них »'ц(х) П «'„(у), их совместной плотностью вероятности w,О1/г), а также условными плотностями вероятности if,(г/у) и ч,О'/л), причем имеет место соотношение :

w,(y/ X) в И',(х,у)/кц(х). (5)

Разбивая весь диапазон возможных значений величин 4 и ;/ на N одинако-i.i.iч интервалов шириной А. рассчитав соответствующие плотности вероятности. можно найти оценки числовых характеристик рассматриваемых, ти'.тфст пых случайных величин. Для этого воспользуемся выражениями для \ i-c.iBHoro математического ожидания

А'

Z^'^^/'-iVi, , ' ; (6)

s условной дисперсии : : -

/ } = Z !>' - И> ^' 2< ^ , ■ > (7>

Приведенные соотношения дают возможность рассчитать для каждого интервала (í= 1,2,...,N) математическое ожидание и дисперсию величины ц, при условии, что величина 4 принимает значение х, из этого интервала. Требуемый объем выборки и статистическая достоверность получаемых оценок может быть обеспечена путем соответствующего выбора количества гочех при дискретизации, выполнения последовательных серий расчетов (и соответствующих им измерений) на разных эталонных объектах и частотах.

Возможным критерием для оценки качества измерительного комплекса может служить величина

<y,=h {?/*,)-4 <8)

которую назовем ожидаемой погрешностью измерений в i-ом интервале динамического диапазона значений измеряемой характеристики. При этом величина M^tjfx,) будет характеризовать (в статистическом смысле) мощность рзеезлппя измеренной характеристики а 5-ом интервале.

В качеств? иллюстрации, на рис. 13, в виде графиков, изображены, рассчитанные (з соответствии с изложенным выше алгоритмом) ожидаемые погрешности $, для хавдого из N-40 интервалов (А = 1 дБ) динамического диапазона измерений измерительного комплекса с ПЗК. На оси абсцисс от-кскхегш значения уровня L,, соответствующего середине i-го интервала. Приведенные графики дают возможность оценить максимально ожи-аземую погрешность 5, в динамическом диапазоне, определяемом величиной L,, ярп измерения?, характеристик рассеяния аттестуемых объектов в заданном неоднородном поле измерительного комплекса с зеркальным па-р-бс-.:г,- есхим (цггрих-пуиктнркая линия) и плоским зонированным (сплошная линия) хоялнматйрг.мп. Так, например, максимально ожидаемая погрешност?» в дигамичесчом диапазоне 25 дБ для ПЗК не превышает 1дБ. Осциллирующий характер кривых можно объяснить недостаточным объемом выборки при численном моделировании.

Далее оп'лепн метод фазезой коррекции геометрии линз и зеркал плоских коллиматоров, позволяющий значительно уменьшить неравномерность АФР поля в рабочей области коллиматора и расширить размеры его рабочей области, что иллюстрируют рис. 11 и 12. При этом для антенн со скорректированной геометрией наблюдается (рис. 14) уменьшение асимметрии ДН, понижение уровня бокового излучения, "пререзанне" нулей, а также рост (на 1..J.5 дБ) КУ. Показано, что особенности геометрии ПЗК, в принципе, позволяют осуществлять их конструктивный синто с целью оптимизации ЗДХ и усовершенствования конструкции.

А_ 8 12 У/Л.

/ / \ \ ,4.

/, t / 1 Л1А53 "" Г D=15X~f/D: блучатсль-pyi \ \ К)

! =0,7 кср; зекция

/ юр

/

H „дБ

Рис. 11

5,. дБ

—————

т/ парабол зониров 1ЧССКИЙ анный к ■fcW'íí колли* оллмма! атор г V Иу /ff í

Рис. 12

0,град.

Е(0),дБ

3 четвсото?! главе диссертации приводятся и анализируются результаты экспериментального исследования ЭДХ плоского асимметричного коллиматора 5 обобщенным зеркалом (М-1), а также ЗЛФ и МЛФ. Описаны технология изготовления исследуемых моделей устройств, а также метод и условия эксперимента.

Экспериментальное исследование проводилось на "квазндвумерных" макетах (размеры, форма профиля излучающей поверхности и облучателя, а также распределение поля по длине коллиматора постоянны), что позволило с достаточной степенью корректности проводить сопоставление полученных результатов с расчетами. Динамический диапазон измерительной установки составлял около 35 дБ.

В процесс? исследований измерялись распределения амплитуды поля, в плоскостях параллельных раскрыву, а также ДН и КУ. Результаты экспериментальных исследований сравнивались с численными результатами, полученными методом интегральных уравнений.

В этой же главе приводится конструкция рефлектора зеркального коллиматора принципиально нового типа (модифицированное зеркало Френеля (МЗФ)), созданная на основе МЛФ, путем металлизации диэлектрического основания. Измеренные характеристики МЗФ, сравнивались с характеристиками ЗЛФ и МЛФ.

В целом, экспериментальные результаты подтвердили теоретические и позволили оценить возможности использования исследуемых коллимпру-ющих устройств в радиотехнических системах различного целевого назначения и в том <гисле на компактных полигонах.

В заключении кратко сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Предложена строгая методика дифракционного анализа коллима-торных установок с плоской зонированной излучающей поверхностью, построенная на основе метода интегральных уравнений.

2. Разработаны, а также теоретически и экспериментально исследованы: плоские зеркальные СВЧ-коллиматоры, плоские и квазиплоскне линзовые коллиматоры с улучшенными ЭДХ, плоские зеркальные СВЧ-коллиматоры, формирующие квазнплоскнй фронт волны под углом к плоскости излучающего раскрыва зеркала.

3. Разработан метод фазовой коррекции геометрии плоских линзовых и зеркальных коллиматоров, позволяющий уменьшить неравномерность АФР распределения поля в зоне измерений, а также значительно улучшить

ЭДХ пзк.

4. Разработан алгоритм оценки качества поля, основанный на вероятностных критериях, позволяющий в отличие от традиционных подходов более объективно оценивать макс!ГМально ожидаемую погрешность в .динамическом диапазоне измерений коллиматора.

5. Разработаны численные алгоритмы и универсальные пакегы ¡ри-кладных программ, позволяющие исследовать работу компактного по гонд с плоским линзовым и зеркальным коллиматором, а также другие си-

стемы рассенвателей с вычислительной точки зрения представляющие бой системы многосвязных незамкнутых экранов.

В какзожспиях приведены тексты программ решения двумерных зад дифракции на незамкнутых идеально проводящих многосвязных экран

акт внедрения результатов работы.

!. И.ИЛещук, Т.А.Цалиев. Вероятностные критерии в оценке квчес поля коллиматора при измерениях характеристик антенн и рассеиватсл И Радиоэлектроника. - 1994. - Ks 9. (Изв. высш. учеб. заведений).

?.. О.И.Волошин, И.ИЛещук. Анализ влияния краевой области згрк; на уровень боковых лепестков. // Радиоэлектроника. - 1993. - №9. (И высш. учеб. заведений).

3. И.И.Лешу: , Т.А.Цалиев. Антенны Френеля с вынесенным облучг лем // Радиоэлект[ ..-,.:;ка. - S995. - Н> 9. - с. 37. (Изв. высш. учеб. заведений

4. Т.А-.Цалмеь\ Л.НЛещук. Экспериментальное исследование плос; линзовых антенн Френеля. - Труды УНИИРТ, 1995, №1, стр.94.

5. I.I.Lcsciiuk. The Fresnel Collimators. Сборник научных статей Акг мни связи. Одесса, ¡994, стр. 42-44, англ.

6. O.l.Voloshin, LI.Leschuk, T.A.Tsaliev. Investigation of the Anten with Zoned Radiative Sudase. // Proceedings of "Progress in Elcctromagne Research Symposium" PÎCR3-95, Seattle, University of Washington, July 28, 1995.

7. И.ИЛещук,' Т.А.Цалиев. Коллиматоры Френеля для измерения рактсрнстик рассеяния радиолокационных целей. // Тр. Мездунар. ко "Современная радиолокация". Киев, 18-23 ноября 1394 г.

8. И.ИЛещук, Т.А.Цалиев. Антенны Френеля с вынесенным облуч; лем для спутниковых систем связи. II Тр. Мездунар. кокф. "Спутнико системы связи и вещания: Перспективы развития в Украине", Одесса, 2( сентября, 1993,-0.180.

9. И.ИЛещук, Т.А.Цалиев. Исследование характеристик колллм,-ров с плоскими зонированными зеркалами Френеля. - Деп. и ЦН "Информсвязь", №1993-св93 от 29.11.93 г.

10. И.ИЛещук, Т.А.Цглиез. Численный анализ асимметричных рас зированкых рупорных антенн. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь", KL>20303-ci от 21.06.94 г.

И. О.И.Волошин, И.ИЛещук, Т.А.Цалиеа. Плоские зеркальные теины Френеля для систем спутниковой сиази. // 3-я Крым. конф. и виска "СВЧ-техннка и спутниковый прием", Севастополь, 20-23 сент., 199: Матер,, кокф. т.5. - Сеиастоьать, 1993, с. 617.

12. И.ИЛещук, Т.А.Цалпсв. Чнслсиный шали; и эксперимент^;», нсследовгите линзовых atrreo:' Фрскс«:» i УГАС им. A.C.Попова. Оде S994. Дйд. i, ДИТИ "Информсйл^,", 25 Л(19-;

13. И.И.Лещук, Т.А.Цзлиев. Экспериментальное исследование асимметричных антенн Френеля / УГАС им. А.С.Попова. Одесса, 1994 г. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь", 25.10.94, К?2027-сп94.

14. О.И.Волошин, И.ИЛещук, Т.А.Цалиез. Экспериментальное исследование антенн с плоским зонированным зеркалом. // 4-я Крым. конф. и выставка "СВЧ-техника и спутниковый прием", Севастополь, 26-23 сент., 1994 г.: Матер, конф. - Севастополь, 1995, с. 94.

15. И.ИЛещук, Т.А.Цалиез. Метод фазовой коррекции для антенн с зонированной ихзучаюн.ей поверхностью.// И-я Международная конференция по радиосвязи, звуковому и телевизионному вещанию, Одесса, ¡9-22 сентября 1995 г.: Матер, конф. - Одесса, 1995.

I.IJliuiyic. "Плоек! кол1матори для втнрювання электродинамтчних характеристик розсйовач1в". Дисерташя на здобуття наукового ступеня кандидата технташх наук по спешальностям: 05.12.21 - рздцотехшчш систе-ми спешального призначення, включаючи техшку НВЧ та технологпо Тх виговлення, 05.12.07 - антени та пристро! м1хрохвильовоГ технпси.

Анотащя. Анал^зуються результата теоретичного та експерименталь-ного дослшження лшзових та дзеркальних кол1маторт з плоскою зонова-ною випромшюючою поверхнею.

I.I.Leschuk. "The plate collimators for the measurement of the electrodinamical characteristics of the scatterers". Dissertation for a Candidate of Science (Engineering) degree in specialities: 05.12.07 - "antennas and devices of microwave engineering", 05.12.21 - "radiotechnical special systems including microwave engineering and technology".

Abstract. The results of the numerical and experimental investigations of the lens and the reflector collimators with the plane zone radiative surface have been analyzed. . -

?Ci!C'itnb№ слова: автоматизированная измерительно-информационная система, компактный радиополигон, аттестация безэховых камер, плоские коллиматоры, зеркала Френеля, линзы Френеля, зоны Френеля, численный анализ, метод интегральных уравнении, дифракционный анализ, вероятностное критерии, оценка качества поля, коррекция фазового фронта, амплитудно-фазовое распределение поля, експериментальное исследование.

Подписано я печати 5.10.1995г. Объел 1,18 печ. л. Зог.мат 60x84V16. Say. 159. Тиран 30._

Типография УГАС им. А.С.Попова. Одесса, Старопортсфргнксгская.б!