автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Расчет вибраторных фазированных антенных решеток с расширенным углом сканирования

ВВЕДЕНИЕ.$

1. МЕТОД РАСЧЕТА ПЛОСКОЙ ВИБРАТОРНОЙ ФАР.1Ъ

1.1. Постановка задачи. Вывод системы интегральных уравнений.

1.2. Численное решение системы интегральных уравнений решетки из линейных вибраторов.

1.3. Исследование сходимости двойных рядов.

1.4. Результаты численных расчетов. Тестирование .^

1.5. Постановка задачи и вывод системы интегральных уравнений относительно плотности распределения тока на излучателе из скрещенных вибраторов .^

1.6. Численное решение системы интегральных уравнений.

1.7. Симметрия интегральных уравнений в случае крест-вибраторного излучателя и ее использование в алгоритме.

1.8; Результаты численных расчетов для решетки из скрещенных вибраторов. Сравнение с другими видами аппроксимаций распределения тока на излучателе.

1.9. Выводы.У

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОУГОЛЬНОГО СОГЛАСОВАНИЯ ФАР,

СОСТОЯЩИХ ИЗ ВИБРАТОРОВ С ЛИНЕЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ./J

2.1. Постановка задачи и вывод системы интегральных уравнений для решетки вибраторов под многослойным диэлектрическим укрытием с учетом вертикальных металлических штырей.

2.2. Численное решение системы интегральных уравнений. Исследование сходимости двойных рядов.^

2.3. Влияние параметров вибратора на согласование решетки.<

2.4. Влияние согласующих штырей.

2.4.1. Расчет параметров решетки с различным числом гармоник тока на штыре. Сходимость решения.9S

2.4.2. Распределение тока на элементах вибратора и штыря .УО/

2.4.3. Изменение расположения штырей в плоскости апертуры.SO&

2.4.4. Влияние изменения высоты штыря на характеристики согласования.^

2.4.5. Достижение широкоугольного согласования с помощью вертикальных металлических пассивных штырей .№

2.4.6. Широкоугольное согласование в полосе частот

2.5. Влияние слоя укрытия на характеристики широкоугольного согласования решетки из линейных вибраторов с линейной полэдизацией.

2.5.1. Согласование частой прямоугольной решетки . J

2.5.2. Исследование согласования в решетке с треугольной сеткой расположения элементов

2.5.3. Влияние многослойного укрытия.1Ъ

2.6. Широкоугольное согласование с помощью слоя укрытия и штырей./

2.7. Диаграмма направленности вибраторной Ш5 с учетом штырей и слоя укрытия.

2.8. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОГЛАСОВАНИЯ ВИБРАТОРНОЙ ФАР ИЗ СКРЕЩЕННЫХ ВИБРАТОРОВ В ПИРОКШ ДИАПАЗОНЕ УГЛОВ СКАНИРОВАНИЯ.№

3.1. Вывод интегральных .уравнений для определения распределения токов на элементах излучателя из скрещенных вибраторов. Численное решение .^

3.2. Влияние поляризационного устройства на характеристики согласования вибраторного излучателя . ^^

3.3. Расчет диаграммы направленности излучателя с круговой полщщзацией в составе ФАР.^^

3.4. Численные результаты расчетов.-/<$

3.4.1. Влияние диэлектрического слоя укрытия на согласование ФАР.^

3.4.2. Влияние вертикальных металлических штырей на согласование ФАР.

3.4.3. Широкоугольное согласование ФАР из серещенных вибраторов.

3.4.4. Влияние слоя диэлектрического укрытия и согласующих штырей на диаграмму направленности.

3.5. Выводы.2*

которого позволяет влиять на

Выводы

1. Выведена система интегральных уравнений 1-ого рода относительно тангенциальных составляющих вектора напряженности электрического поля на элементах скрещенных вибраторов с учетом диэлектрического укрытия и вертикальных металлических штырей для бесконечной ФАР.

2. Система интегральных уравнений решена методом Галеркина с использованием тригонометрических базисных функций. Проведен анализ сходимости двойных рядов, встречающихся в формулах для взаимных сопротивлений у ФАР со слоем укрытия.

3. Разработанный алгоритм позволил создать быстродействующую программу расчета ФАР из скрещенных вибраторов Tw$P0L с опорными стойками, с учетом слоя укрытия и штырей, на основе отлаженных программ гл.1, гл.2, что существенно облегчило отладку.

4. Проведен расчет ФАР из скрещенных вибраторов с учетом устройства поляризации. Показано из аналитических выражений и численных расчетов, что рассогласование на входе поляризационного устройства почти отсутствует при малых углах б отклонения луча от нормали к решетке ( 0 ^ 20°).

5. Для случая возбуждения ФАР с круговой поляризацией выведены выражения для Eq -ой и Еу -ой составляющих диаграммы направленности элемента в составе решетки. Приводятся численные результаты расчетов.

6. Приведены многочисленные результаты расчетов, позволяющие проследить влияние отдельных параметров слоя укрытия и штырей на электродинамические характеристики MP в широком секторе углов сканирования.

7. Показана возможность улучшения согласования ФАР из срещен-ных вибраторов с помощью слоя укрытия для малых углов отклонения луча от нормали к апертуре антенны.

8. Осуществлена компенсация "ослеплений", возникающих в решетке из скрещенных вибраторов с помощью вертикальных металлических штырей.

9. Осуществлено широкоугольное согласование ФАР из скрещенных вибраторов с помощью слоя укрытия и вертикальных металлических штырей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научно-прикладное значение предлагаемой работы заключается в следующем:

1. В адекватной электродинамической постановке численно решена задача о возбуждении вибраторной ФАР с линейной или круговой поляризацией, с учетом основных конструктивных элементов излучателя, совместно со слоем укрытия и согласующими штырями.

2. Проанализирована сходимость двойных рядов, которые встречаются в алгоритме. Для плохо сходящихся рядов проведено улучшение сходимости.

3. Разработаны быстродействующие программы расчета параметров, необходимых для проектирования вибраторных ФАР.

4. Проведенное тестирование разработанных программ, показало правильность работы программ и адекватность алгоритма.

5. Рассмотрено влияние поляризационного устройства на характеристики согласования MP из скрещенных вибраторов.

6. Проведен анализ влияния различных параметров вибраторов, слоя укрытия (как однослойного, так и многослойного), штырей на характеристики согласования ФАР и, в частности, на глубину и положение "ослепления" в области углов сканирования в , f

7. Показана возможность компенсации имеющихся "ослеплений" в вибраторных MP с помощью вертикальных металлических штырей.

8. На конкретных примерах для вибраторных MP с линейной и с круговой поляризациями продемонстрирована возможность удовлетворительного согласования в широком секторе углов сканирования б ( 0 ^ в - 60 ) с помощью вертикальных металлических штырей и слоя укрытия.

-w

9. Материалы работы были использованы при выполнении шести хоздоговорных работ, двух работ по социалистическому содружеству и двух работ о передаче научно-технических достижений. Результаты внедрения приводятся в Приложении 8.

Автор выражает глубокую признательность Бодрову В.В. за большую помощь и постоянную поддержку при работе над диссертацией

-Itt

1. Справочник по радиолокации./Под ред. М.Сколника, г.2 Радиолокацинные антенные устройства. М.: "Сов.радио",1977, 405с.

2. Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: Мир, 1974, 455с.

3. Антенные решетки с электрическим сканированием. ТИИЭР, т.56, Щ1, 1968 , 6с.

4. Мейлукс Р.Дж. Теория и техника фазированных антенных решеток. ТИИЭР, т.70, №3, 1982, с.5-62.

5. Старк Л. Теория фазированных антенных решеток СВЧ-диапазона. Обзор. ТИИЭР, т.62, М2, с.55-104.

6. Антенные решетки (Методы расчета и проектирования) ./Под общей ред. Л.С.Бененсона "Сов.радио", 1966, 367с.

7. King ЯМ Р. Жеоьу of fiveat antenna*. /956. p. 663.

8. Левин Л. Современная теория волноводов. М.: "Радио и связь" 1954, 309с.

9. Edeife^ Ойпеь АЛ.- Mutual coupiiny е^есй шtabae аАъауЛ. P&lt I />Ы omLiji. IRE

10. Тыпя. on Anknw-i and faepAfa Vod. AP-S f StfO^W-SS?.13. шеп с7.l sain and impedance foliation in асалпеа! dipote qjt/сауя. ire тъапа. on апытал and flfapaf., V. AP-M , Ш2 > р*66-5П.

11. Wtteeiet H.A. $lmpk xektionz debited (Ьо/п a pfiaAed- олму made of сип infinite cwtwt ^eet.

12. EE Ttant. on knUmaA and Fkopaq. И АРЧЪ Ш550(^-5^.

13. Марков Г.Т., Богомягков А.И. Распределение тока и входной импеданс тонкого вибратора в бесконечной плоской сканирующей решетке. Известия вузов "Радиоэлектроника", т.ХУШ, №7,1975,С 36-43.

14. Вычислительные методы в электродинамике. /Под ред. Р. Миттры "Мир", М.: 1977, 483с.

15. Сканирующие антенные системы СВЧ. /Под ред. Р.К.Хансена. М.: Сов.радио, т.П, 1969, 496с.

16. Хзмалян А.Д. Итерационный метод анализа плоской антенной решетки. Радиотехника и электроника, 1981, т.26, ЖЕ, с.46-52.

17. Хзмалян А.Д. Возбуждение конечной антенной решетки из плоскопараллельных волноводов под слоем диэлектрика. Изв.вузов "Радиоэлектроника", 1981, т.24, №2, с.48-54.

18. Васильев Е.Н., Серегина А.Р., Седельникова З.В. Распределение зарядов и токов на вибраторах в полу бесконечной решетке. "Радиотехника и электроника", 1974, т. 19, Ш, С.1ЬЪ1т .

19. Сазонов Д.М. Матричная теория антенных решеток. У1 Всесоюзная школа-семинар по дифракции и распространению радиоволн. Рязань, 1975, 70с.

20. Щербаков В.И. Анализ и регулирование взаимосвязи между излучателями многоэлементных ФАР. Кандидатская диссертация. М. :1978.

21. Федотова С.И., Щербаков В.И. Интерполяция коэффициента отражения бесконечных фазированных антенных решеток. Радиотехника и электроника. 1980, т.25, №5, C.4Q6

22. L. Compaction of oway demerit type*. In flook:awaitf antenna* /Ed. Ц Ойпе>t АЛ., КтШ С-Л-Ы^ат, ktied House, 19П.

23. Антенны и устройства СБЧ. /Йод ред. Д.И.Вознесенского. М.: Радио и связь, 1981, 431с.

24. Яцкевич В.А., Карташевич С.Ф. Электродинамический анализ вибратора с фидерной линией. Изв.вузов "Радиоэлектроника", 1982, т.25, Jf2, с.89-91.27. боы&ал 6.? PuaL ММ, ИЖмелшЕ DlaKoptu iHe&ap <?/muttLedemnt antmoA. Int. tymp. vkj. AntejijnC and Р/юрау. t

25. Seatto , hfoL, me, i/2, Mm Uk MY., WS,рШ-М6,

26. Ильинский А.С., Семин В.И. Влияние фидера на электрические характеристики вибраторных антенн. Радиотехника, 1981, т.36, №4,с.62-66.

27. Бодров В.В., Марков Г.Т. Возбуждение периодических антенных решеток. -В сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике, 1976, вып. I, с.129-162.

28. Айзенберг А.Л. Исследование диаграммы направленности холостого хода вибратора в бесконечной плоской решетке. Изв.Byзоврадиофизика, 1982, т.25, №2, с.227-234.

29. Мауы t. D.; Heuet A. feed йеуШ modeA In dipoie pLted rna^A. IEEE hnknnti and fkopag., M2, p M-76~

30. Богомягков А.И. Исследование бесконечной фазированной антенной решетки. Кандидатская диссертация, М., МЭИ, 1976.

31. Богомягков А.И., Бодров В.В., Марков Г.Т., Старостенко Б.А. Расчет характеристик излучения вибраторных фазированных решеток с учетом влияния опорных стоек. -В сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике, 1980, вып. 4, с.164-207.

32. Марков Г.Т., Бодров В.В., Сурков В.И. Модификация метода расчета вибраторной сканирующей антенны с минимизацией необходимого машинного времени. Тр/Моск.энерг.ин-та, 1980, вып.494, с.104-107.

33. Бодров В.В., Володина И.В. Аппроксимация функции распределения тока на вибраторном излучателе с пересекающимися проводниками. ХХХУП Всесоюзная научная сессия, посвященная дню Радио. Тезисы докладов, ч.1, М., "Радио и связь", 1982 , 34с.

34. Newman Е.Н.} Ро2&ь йМ. Efocbtomgnetic. modeling ф

35. CowpoJ&U кШ cwd lufi^ice ^owbiieA ■ IEEt Тлмл. АпШ*Л W /m, У.АР-26, А/б .

36. Knitted G-M. Impedance. maiciuicj ofj- p&ated-dMay сиоЫтаЛ cl аимегр оЦ- ihawp cwdpractice. In Platedamp vitoiMA./El 4y met AA} KnittedёМ-ЪеЛагп, Adtech Lu4e9 №2.

37. Holmom KnltM &H. Wide-cuhyle Lmpedtuiee maiding ca&u Ikied jbb а p&ated-May аякнма} IEEEkv&MnaA a*d Pbopap. Lnteswcdiorui# tympanum

38. Cook 7J.} Pecind R. С Со/гуремАайоп соир&мр Мгьеелelements l/i a/oiay cwiewaA. IEEE Antenna Рлсра^.in^mtcomi MmpoAium diyzt>t9 /96Ъ } p23b-236.

39. Бодров В.В., Зайцев А.В. Результаты расчета антенной решетки, состоящей из ступенчатых рупорных излучателей. Изв.вузов -"Радиоэлектроника", т.19, №5, 1979, с.75-78,

40. Зайцев А.В. Расчет электродинамических характеристик периодических антенных решеток из ступенчатых рупорных излучателей. Кандидатская диссертация. М., МЭИ, 1980 ♦

41. Тапр А., MJ. МиМшос/е fbated аМауok uncle Ac&n ayEe l#tfieda>#ce /па /hoc. IEEE,1. V. SB , M} Ш8} p

42. Woy M, Tay Ue Jo/ieA h/.£. tfulkmodeaM^ fob Kride лсая a/y^e LM/?£das?cematc&i'M. Ih : P&aAed аШу ал^ьнмаЛ /Ed. 0&#еЛ A.A.,

43. KyiiiM G-.H. DedL™, АьЫсЬ Liue, №Q.

44. HemtnL C. 0. f Наш* k/.P.} Я.С. fha.ctica@ L^eda^cemahk/7^ ojf- a. joSaAed аллау badiah^ e&me^t. Рлбс. IEEE9 V. , У//, p tffc /94?.

45. Edet&m $.9 OlmeA A.A. Mutua? coupfap effecULnla/uj,2, aniwna E: CompevA&tion e^ecti3 I HE 7wit.knitmaA cwcl Ptcyxif., M0} p. 360-36?.50. t.D. А Шал^иРаЛ амап^лме/it ofi р&маА амау e&Me/jti thai AeduceZ the пим&ъ needed./W

46. Adun*at W Ptepag. f V.W-3, #6/, p. /М-Ш.

47. Сурков В.И. Влияние согласующих штырей на параметры вибраторных ФАР. -3£/Моск.энерг. ин-т , 1981, вып.553, с.40-44,

48. Сурков В.И. Расчет периодической вибраторной решетки с цроизвольными согласующими штырями, -Тр/Моск.энерг.ин-т, 1983, вып.610, с.10-15.

49. Бодров В.В., Войнов С.А., Павлова Л.А. Характеристики периодической волноводной решетки с согласующими штырями. -Тр/ Моск.энерг.ин-т, 1980, вып.494, с.114-117,

50. Lee MiiUa Я. Radiation Цлот dieiecbiic- loaded

51. OMAUA d paba&e?IEEE Antenna^ewef Рлуар. , / APS, A/5, pS/3-S/J.

52. Hap№ B.G-., WbeeteA НЛ. Wide-олуй Unpeda^&e maicfiCm а р&маЛ aJi/iay anievm fy dee&c&itc tJi&d,

53. EE Тпомь AritznnaA a*d Рло/ку., Ч.АР-№, p43-55.

54. M&fjtil И.А. impedance maiding of a pi&na/i a/i/i&ff a^ienm ^ a die&duc tfieet. S965 I£E£ AnhnnaX a*d Рло^а^. InteAmiiomE Яумрошм Dtyest

55. Heipeh J. G- a*>d otfai. мюмпсе In л mdowe сошес/ c/cpoie (may. Int. &n-P&wcttco

56. Бодров В.В., Сурков В.И. Согласование периодической вибраторной антенны многослойным диэлектриком и пассивными штырями. Х1У Всесоюзная радиоастрономическая конференция. Ереван, 28-30 окт.1982, Тезисы докладов, 229с .

57. Wfiee&A НЛ. Simple m&lIioM dtAiwd fitom a p&ated

58. QAhcu/ амЬипа wade cj/f frn in jtoiie . IEEE

59. ТлаЩ. ajid Рлара^.} H.4P-/3, Л/Ь, MS, P 506 -f/4t

60. Раздолин A.M., Филиппов B.C. Исследование возможностей широкоугольного согласования волноводных излучателей плоских ФАР. Изв.вузов. Радиоэлектроника, т.26, №2, 1983, с.42-47.

61. CampMi ZZJoImom Аinie^iaied tec/ia^ine e&mnt /ote^d аллау, V.AP-30,/1/4, I£t£1. A rhmal a*d Рлорьгр. /Ш.

62. EtpMiio F.y.} Vaknlino P. A., P&iini H.fc. A Vride ал^еp&awd аШу. Ini. iia. AdtMat

63. Рлсру , Seam, W3t V2,MY. p W-M.

64. KiyokLko cund . О расчете антенной решетки круговой поляризации, состоящей из щелевого излучателя и пассивных вибраторов. tyjfСин шка& романеи, Рмлц. Twit. Е&с&оп. a*d Ь/ши». 66S, A///, p.m5-/3f2.

65. Инденбом М.В., Филиппов B.C. Анализ и оптимизация дирек-торных излучателей в плоской антенной решетке. Изв.вузов "Радиоэлектроника", 1979, т.22, №2, с.34-41.

66. Верига Б.А., Полухин Г.А., Ушаков Ю.С., Яцкевич В.А. Широкодиапазонные фазированные решетки из логопериодических вибраторных антенн. В сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике, 1980, вып. 4, с.95-131«

67. Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И. Многочастотные антенныерешетки. (Обзор). Изв.вузов "Радиоэлектроника", т.24, №2,198171. ./,W.H. ЩшЫ pha-ud dipote аЪА^. Ptec. IEEEP1. М, V.S6 } А//', p. SW

68. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М., "Энергия", 1975,528с.

69. Численные метода теории дифракции. Сб. с татей под ред. В.А.Боровикова, М., Мир, 1982, 198с.

70. ClaAf T.W.H^kiftf A.M.P. On Ы aA&tbty1.antiCaJ? раЛаШ a^6cm<zl. IEEE Tioai*. Ап^лШ a*d

71. У.АР-/6, A/3 7 /Щ p. 303-3/7.

72. Марков Г. Т. , Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики. М., Сов.радио, 1970, 120с.

73. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., Наука, 1973

74. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф . Специальные функции (формулы, графики, таблицы), Наука; , 1968, 344С.

75. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Начала теории вычислительных методов: Интегральные уравнения, некорректные задачи и улучшение сходимости. Минск "Наука и техника", 1984, 261с,

76. Градщтейн Н.С., Рыжик Н.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений, М,, #изматгиз, 1962, ИОЯс.

77. Сазонов Д.М., Мишу с тин Б.А., Грцдин А.Н. .Устройства СВЧ. М. "Высшая школа", 1981, 295с.

78. Бодров В.В., Староетенко Б.А. Бесконечная вибраторная решетка с треугольной сеткой, -Тр/Моск.энерг.ин-т, 1976, вып.301, с.88-93.

79. Tuiljf&t&tMi Pf А/гкг/яа/? £.М. ГЖе cUzcum^mtlai midbnof tU axcal con/wed tf cuue/it in olaief 6pacJ tkin-iti* at&**U.

80. EE АпЬшпал W V.AP-27рУ/? /ЩрМ-£0.

81. Щербаков В.И. Широкоугольное согласование вибраторной антенной решетки с пассивными излучателями. Труды МЭИ, вып.341, 1977, с.29-31.

82. Вадик 0.Г*, Рыжкова Л.В. Синтез схемы компенсации взаимной связи излучателей в фазированной антенной решетке. Сб. Антенны, вып.4, "Связь", 1968, с.42-50.

83. Фролов Н.Я. Расчет схемы широкополосного согласования плоской антенной решетки. -Тр/Моск.энерг.ин-та, 1974, вып.192, с.23-27.

84. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. -М., "Советское радио",1967, 463с.

85. Моисеев Н.Н., Иваников Ю.Л., Столярова Е.М. Методы оптимизации. М.: Наука, 1978, 350с .

86. Чаплин А.Ф., Хзмалян А.Д. Об учете влияния диэлектрических покрытий на "ослепление" ФАР. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, М2, с.2632-2634 ,

87. Ниттел Г., Хессель А., Олинер А. Нулевые провалы в диаграмме направленности элемента фазированной антенной решетки и их связь с направляемыми волнами. ТййЭР, 56, №11,1968, пер, с англ. М. "Мир", 1969, с.71-88.

88. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М. "Сов.радио", 1974,239с.

89. Мэтыоз Дж., УоКер А. Математические методы физики. М. Атомиздат, 1972, 162с.

90. Отчет по НИР, I& г/р 0I8230II947.

91. Отчет по НИР "Разработка методов анализа и синтеза излучателей электромагнитных волн". № г/р 78029677 от 6.У.1978 .

92. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М. "Радио и связь", 1983, 296с.

93. Хьюз Дж., Мичтом Дж. Структурный подход к программированию. М. "Мир", 1980, 284с. ,

94. Безбородов Ю.М. Индивидуальная отладка программ. М. "Наука", 1982, 192с.

95. Майерс Г. Искусство тестирования программ. М. "Финансы и статистика". 1982, 176с.

96. Салтыков А.И., Макаренко Г.И. Программирование на языке ФОРТРАН. М. "Наука", 1976, 256с.