автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка дифракционных устройств электронного управления поляризацией излучений в информационных радиосистемах

г, - <-> Л

'Л а и

На правах рукописи

Пастернак Юрки Геннадьевич

РАЗРАБОТКА ДИФРАКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННЫХ РАДИОСИСТЕМАХ

05.12.17 - радиотехнические и телевизионные

системы и устройства 05.12.07 - антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Вороне* 1995

Работа выполнена в Воронежском государственном '

техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Юдин В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, • профессор Бей Н. А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Калабанов Е. М.

Ведущая организация: Воронежский научно-исследовательский институт связи

Защита состоится 22 декабря 1995 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета К 063.81.05 в Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж Московский проспект, 14, конф.-аал.

С диссертацией ыогшо ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан

ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Козьмин В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Быстро и постоянно растущие потребности общества в больших об_емах передачи информации привели к использованию в радиотехнических системах миллиметрового и оптического иэлучения.

Существенное влияние на распространение электромагнитных волн миллиметрового и оптического диапазонов в атмосфере оказывают снег, дождь, град, туман, изморось, а также пыль, дым и т. д. Все названные факторы приводят к ослаблению и деполяризации электромагнитных волн. Сравнение зависимости ослабления оптических и миллиметровых волн в дождях показывает, что оно может быть в 1.5-2 раза меньше, чем при связи на миллиметровых волнах короче 5 мм. Ослабление же в аэрозольных образованиях атмосферы в оптическом диапазоне волн на несколько порядков превышает ослабление волн миллиметрового диапазона. Последнее обстоятельство в значительной степени определяет превосходство миллиметровых и сантиметровых волн перед оптическими в смысле надежности и устойчивости связи в системах передачи информации.

Одной из важных проблем в современных радиотехнических системах связи и радиолокации является подавление помех, вызванных деполяризацией излучения в атмосфере или вследствие многолучевого распространения волн на трассе. Поэтому создание входных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов с быстрым Снеыеханическим) управлением поляризации излучения является актуальной задачей. Такие устройства совмещают функции антенны и управляемого фильтра поляризации радиоволн.

Одним из интенсивно развивающихся направлений в теории и технике плоских входных устройств (ПВУ) радиотехнических систем является разработка и создание плоских устройств дифракционного типа (ПУДТ). ПУДТ являются конструктивно простыми, технологичными системами, обладают высокими техническими характеристиками и широким спектром эксплуатационных возможностей.

В данной области сохраняется ряд актуальных проблем: математическое моделирование процесса преобразования поверхностных волн в об_емные двумернопериодичными структурами вытекающей волны-, теоретическое и экспериментальное исследование дифракции плоских волн на двумернопериодичных структурах в резонансной области; создание ПУДТ с управлением поляризацией излучаемых (принимаемых) сигналов; разработка инженерных рекомендаций по проектированию и оптимизации

- г -

¡

параметров ПУДТ с электронным управлением поляриэацией излучения.

Цель диссертационной работы: разработка дифракционных устройств электронного управления поляризацией излучения в кнформащ онных радиосистемах.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Оценки влияния поляризационных эффектов в атмосфере и вдоль открытых трасс на потенциал радиотехнических систем СВЧ и КВЧ диапазонов.

2. Разработки варианта приближенной математической модели взаимодействия плоских однородных волн с двумернопериодичной отражательной металлической дифракционной структурой (ДС) типа "гребенки" с диэлектрическим слоем для расчетов плоских входных устройств "антенна - управляемый поляризационный фильтр" совреме! ных информационных радиотехнических систем.

3. Проведения комплекса расчетных и экспериментальных исследований преобразования поверхностных волн в об_емные вше название структурой в резонансном и нерезонансном режимах, а также сравнительного анализа свойств структур с одномерной и двойной периодичностью, чувствительных к изменению поляризации радиоволн.

4. Обоснования принципа построения, технической разработки i исследования приемно-передающих плоских входных дифракционных структур для радиотехнических систем СВЧ и КВЧ диапазонов с элек' ронным управлением поляризацией излучения, а также устройств их возбуждения.

5. Разработки инженерных рекомендаций по проектированию и oí тимизации управляемых плоских входных дифракционных устройств coi ременных радиотехнических систем с учетом поляризационных эффекте в открытых каналах распространения радиоволн.

Методы исследования. При выполнении работы были использован! известные методы анализа радиотехнических систем СВЧ и КВЧ диапа зонов: классическая электродинамика изотропных сред, теория дифракции электромагнитных волн линейной поляризации на периодически' структурах, методы интегрирования волновых уравнений и их числен ного анализа, а также стандартные методики измерений характерист: антенно-волноводных устройств СВЧ и КВЧ диапазонов. Основные тео

ретические положения проверены путем моделирования, макетирования, и натурного экспериментирования а также сравнения с результатами, полученными другими авторами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Цроведен теоретический и экспериментальный аналиэ входных устройств радиотехнических систем с поляризационной чувствительностью, сочетающих свойства антенн и управляемых поляризационных фильтров. Разработана приближенная математическая модель дифракции однородных плоских волн на двумернопериодичной гребенке с диэлектрическим слоем. Модель характеризуется хорошей сходимостью вычислительных процедур и достаточной для практики точностью описания моделируемого об_екта. Разработаны алгоритмы и программы для численных расчетов плоских структур дифракционного типа с электронным управлением поляризацией излучения, работающих в условиях деполяризационных помех в составе радиотехнических систем передачи информации и радиолокации. Новым способом, не использующим априорную информацию о поведении поля вблизи сингулярных точек структуре; выведены известные условия редуцирования парных бесконечных систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) для случая падения плоской однородной волны с произвольными параметрами (поляризацией, частотой и углом падения) на координатную структуру произвольной формы.

2. Получены новые теоретические и экспериментальные данные по дифракции плоских однородных радиоволн на вышеуказанной структуре в окрестности частоты брэгговского резонанса второго порядка. Выполнен сравнительный анализ свойств одномерно- и двумернопериодич-ных структур.

3. Обоснованы принципы действия и разработаны плоские входные дифракционные устройства с электронным управлением поляризацией иб лучения для современных информационных радиосистем. Исследованы ре зонансный и нерезонансный режимы работы входных устройств, предложены варианты узлов их возбуждения.

4. На основе математического моделирования и экспериментальных исследований подготовлены инженерные методики и практические рекомендации по проектированию и оптимизации параметров плоских :Поляризационно-чувствительных входных дифракционных устройств с электронным изменением состояний поляризации радиоволн СВЧ и КВЧ

диапазонов, разработано плоское входное дифракционное устройство с электронным управлением поляризацией излучения для радиотехничес- . ких систем индивидуального приема непосредственного спутникового телевизионного вещания, проведено экспериментальное исследование основных характеристик устройства.

фактическая ценность работы состоит в следующем: развито техническое направление, позволяющее для телевизионных, связных у локационных радиотехнических систем СВЧ и КВЧ диапазонов проектировать плоские входные устройства с регулируемой чувствительностью к изменению поляризации радиоволн;

разработаны и реализованы способы электронного управления поляризацией излучения плоских дифракционных входных устройств современных радиотехнических систем;

получена совокупность расчетных и экспериментальных данных для проектирования плоских дифракционных входных устройств с управлением поляризацией;

рекомендованы пути оптимизации параметров плоских входных устройств "антенна - управляемый поляризационный фильтр" информационных радиосистем;

созданы и испытаны варианты экономичных компактных плоских входных дифракционных устройств для спутниковых телевизионных систем.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы в двух научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре радиотехнических систем Воронежского государственного технического университета по заказу Воронежского научно-исследовательского института связи в соответствии с постановлениями директивных органов, в госбюджетных НИР Воронежского государственного технического университета, в работах по плану общесоюзной программы "Излучение".

Внедрение отражено в актах внедрения соответствующих НИР, а также в актах внедрения диссертационной работы. Результаты работы использованы в курсовом и дипломном проектировании на кафедре радиотехнических систем Воронежского государственного технического университета, включены в лекционные курсы, а также в курсы практических и лабораторных занятий.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований плоских входных устройств дифракционного типа с электронным управлением поляризацией для информационных радиотехнических систем. Вариант приближенной математической модели дифракции плоских радиоволн различных (ортогональных) поляризаций на двумернопериодич-ной структуре в виде гребенки с диэлектрическим слоем.

2. Новый аналитический способ вывода известного условия усечения парных граничных СЛАУ для произвольных параметров плоской однородной падающей радиоволны и координатных структур любой формы, не использующий априорной информации о поведении поля вблизи сингулярных областей структуры.

3. Новые типы плоских входных дифракционных устройств с электронным изменением состояния поляризации радиоволн и узлов их возбуждения для радиотехнических систем передачи информации по открытым каналам связи, результаты их экспериментальных исследований.

4. Инженерные рекомендации по проектированию и оптимизации параметров плоских входных устройств дифракционного типа с электронным управлением поляризацией излучения и их узлов возбуждения в составе радиотехнических систем связи и радиолокации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях и научных семинарах: 27-й Международной научно-технической конференции "Теория и техника антенн" (Москва, 1994), 2-й Международной научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1995), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, проводимых в Воронежском государственном техническом университете в 1990-1995 гг., научном семинаре кафедры РТС Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 1995).

Публикации. Основные результаты настоящей работы опубликованы в 8 печатных работах: в 6 статьях и тезисах 2 докладов. Проверенные исследования также отражены в 2 отчетах по НИР.

Структура и об_ем работы. Диссертационная работа состоит из

. . - - б -

введения, четырех глав, заключения и включает 165 страниц машинописного текста, 51 рисунок на 49 страницах, 7 таблиц, список литературы в 125 наименований. Работа содержит 2 приложения и 2 акта о внедрении.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы це.-и, кратко изложено содержание и перечислены научные положения и результаты, учимые на ващиту.

В первой главе проведен анализ литературы по исследуемой проблеме и выяснено, что существует множество факторов, влияющих на ослабление и деполяризацию радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов в отбытых каналах связи. Сделан вывод, что для расчета трасс используются громоздкие полуэмпирические модели, описывающие атмосферные каналы связи с определенной погрешностью. Показано, что при малых значениях дисперсии распределения плотности вероятности гидрометеоров по размерам приближенная теория Рэлея находится в хорошем соответствии со строгой теорией Ми (при размере частиц до половины длины волны относительное отклонение не превышает 2-4 Z). Предложено эффективное средство повышения потенциала радиотехнических систем: применение в радиотехнических системах передачи информации и радиолокации высокоэффективных плоских дифракционных устройств с управляемой поляризационной чувствительностью.

Во второй главе проведен теоретический и экспериментальный анализ входных устройств радиотехнических систем с поляризационной чувствительностью. Исследована дифракция плоских однородных радиоволн на двумернопериодичной структуре, включающей отражательную цельнометаллическую дифракционную решетку (ДР) типа "гребенка" с диэлектрическим слоем, расположенным над ней и разделенным воздушным зазором постоянной величины, характеризуемым прицельным расстоянием.

Предложена приближенная математическая модель дифракции плоских однородных волн на указанной выше структуре, которая основана на приведении первоначальной трехмерной задачи дифракции на двумернопериодичной структуре к решению двух двумерных задач диф-

ракции плоских однородных Е- и Н- поляризованных радиоволн на структурах с одномерной периодичностью. При достаточно узких пазах ДР (уу< Ла/2) описываемая структура представляет наибольший интерес с точки зрения ее использования во входных устройствах, синтезирующих функции антенны и управляемого поляризационного фильтра в современных радиотехнических системах передачи информации и радиолокации СВЧ и КВЧ диапазонов, так как в этом случае удается получить высокую степень развязки по поляризации. Для определения фазы зеркально отраженной (нулевой) гармоники пространственного спектра при дифракции Е- поляризованной радиоволны на одноыернопериодичной ДР с запредельными пазами, последняя заменена эквивалентной идеально проводящей плоскостью, расположенной на расстоянии АЬ от плоскости ребер ДР.

При дифракции линейнополяризованной волны на двумернопериодичной ДР пространственные гармоники рассеянного поля переносят энергию в плоскости решетки в направлениях - Т и 1 у . Проведенные экспериментальные исследования показали, что для гребенок с диэлектрическим сдоем при ширине пазов V/ < ?1„/з отношение энергий поля К,, = ^ / ^ , переносимых +1-й и -1-й пространственными гармониками вдоль осей 2 и ^ соответственно при наличии единственной </- составляющей Н-компоненты поля падающей радиоволны превышает 20 дБ, причем при уменьшении ширины пазов ДР параметр Кррастет. Из вышесказанного следует, что при математическом моделировании процесса дифракции плоских волн с линейной поляризацией на двумерной ДР с достаточно узкими пазами ее можно заменить эквивалентной (в смысле основных характеристик, кроме уровня кроссполяриза-ционного излучения) одномернопериодичной (вдоль оси?) ДР с тем же периодом и шириной пазов, что и у двумернопериодичной ДР. При определении глубины пазов Ьг = И,- Д Ь эквивалентной ДР учитывается существование затухающего поля в запредельных пазах гребенки с двойной периодичностью. Поправка определяется следующий образом. Решается задача дифракции нормально падающей Е- поляризованной радиоволны на вспомогательной одномернопериодичной ДР с теми же геометрическими параметрами, что и у двумернопериодичной ДР.

Разница фаз определяет степень проникновения па-

дающей волны в запредельные пазы ДР с двойной периодичностью, где - аргумент зеркально отраженной гармоники для конкретной геометрии структуры и бесконечно узких пазов \л/ =0 соответст-

венно. Диэлектрический слой изменяет резонансные свойства пазов ДР. однако методика расчетов остается прежней. Даже при отсутствии диэлектрического слоя резонансные свойства пазов гребенок для основной моды (при Н- поляризации - это ТЕМ- волна) сильно зависят от ширины пазов, в частности, лишь при бесконечно тонких ребрах гребенки ее электрическая глубина Н, равна геометрической глубине Ьг . Величина Y = [)/ Vlt определяет коэффициент замедления основной моды в пазах ДР.- Ь леднее обстоятельство учитывается npi определении величины поправки A h:

A^(A0)-.<p0 = 2kcyAh . а)

где 1?0 - волновое число для свободного пространства.

Далее рассмотрены решения одномернопериодичных задач дифракции. Использован метод частичных областей, получена парная бесконечная система линейных алгебраических уравнений относительно амплитуд гармоник в областях структуры и мод в пазах ДР. Для обеспечения покоординатной сходимости метода редуцирования бесконечной системы уравнений в работе рассматриваются одномернопериодичные ДР, содержащие два паза на периоде.

Разработанный вывод метода редуцирования в отличие от известных не требует предварительного исследования асимптотического поведения компонент поля вблизи особых точек структуры. Показано но вым способом, что известные ранее выражения, определяющие способ усечения парных систем уравнений, справедливы для любых координат них структур при произвольном угле падения радиоволны с любым видом поляризации. Основная идея способа усечения заключается в нахождении вблизи острых ребер структуры такого соотношения количеств волноводных мод И, и Mz в основном и вспомогательных паза; соответственно, при котором функции, описывающие поля частичных областей, являются непрерывными на границах раздела и имеют возможно большее количество непрерывных производных. Скорость сходимости ряда Фурье пропорциональна количеству производных описываемой функции. Для любого сколь угодно малого отклонения £~ суммы полинома Фурье от истинного значения описываемой им функции (строгого решения задачи дифракции) можно указать такое достаточно большое конечное количество учтенных мод в пазах М + М2 (при строго определенном соотношении их количеств), при котором откло-

[енне не превышает заданное. Следовательно, для любого заданного :коль угодно малого отклонения решения СЛАУ, полученного мето-1ом редуцирования от строгого решения (например, подученного мето-[ом полуобращения) можно указать достаточно большое число уравнений и неизвестных, обеспечивающее отклонение, не превышающее напе->ед заданное.

При конечных значениях М, и г|2 поля пазов ДР характеризуют-¡я конечным спектром Фурье и по теореме Котельникова, представлены . соответствующем базисе. При этом интервалы дискретизации полей в властях основного и вспомогательного пазов соответственно равны:

где d «W - период и ширина основ-;ого паза ДР. При разложении поля на периоде структуры в ряд Ко-'ельникова интервал дискретизации поля на периоде ДР принят равным интервалам дискретизации в частичных областях: Д Zd = AZ< = Д?гдля 'ого, чтобы функции, описывающие поля в пазах, имели одинаковую шрину спектра Фурье. Последнее обстоятельство является условием !епрерывности возможно большего количества производных функции на [ериоде, так как сшиваются высшие гармоники полей в соседних об-tacTax, а разрыв производных одинакового порядка высших мод вблизи юбер приводит к сингулярностям поля более высокого порядка (по ¡равнению с низшими модами). С учетом общего количества мод на периоде M =М,+ М2. получено выражение, в соответствии с которым ре-[уцируется парная система уравнений:

м,- entier-(-^-м) . ~ (2)

Для вывода (2) не требуется информация об асимптотическом оведении точного решения (данной задачи) при N^ оо, М2-> со , оэтому оно справедливо для любых координатных структур, содержа-1их смежные области (если углы падения близки к нормальному). Выражение (2) эквивалентно результатам, полученным В. П. Шестопало-ым, А. А. Кириленко и С. А. Масаловым (Харьковский институт ра-иофизики и электроники) применительно к конкретным структурам, одержащим смежные области: разветвленный волновод, решетка из русьев. ленточные решетки и другие. Выражение (2) справедливо для роизвольной поляризации падающей радиоволны, так как его вывод не ключает никаких оговорок о поляризации полей в частичных областях.

При наклонном падении требование (2) остается справедливым.

но главная диагональ системы уравнений сдвигается на целое число : столбцов относительно нулевого. В задаче о наклонном падении плос- I кой однородной радиоводны под углом 9 поле над ДР представимо в виде: _

Ч^Х^Не , (3)

КI - оо '

где X = - период ДР, нормированный к длине волны в свободном пространстве. При р - еи'Нег ( "ЭСз'иг. ( В )) и И-К + р, выражение „ ¡риобретает вид:

Оо ^ 25~П 2

У-^о^е . со,

И» - <х> '

Отсюда получаем следующее условие усечения для (3):

К = -И-р; Ы-р (5)

где индекс с номером К = - р становится центральным, и соответствующий столбец в матрицах усеченных СЛАУ оказывается главным. Условие (5) полностью совпадает с выражением, выведенным с исполь- ; зованием информации о пределе отношения решения усеченной системы уравнений к точному решению, полученному методом вычетов В. П. Шестопаловым и его соавторами. 1

Сравнение экспериментально измеренных и вычисленных значений углов, соответствующих преобразованию с максимальной эффективностью энергии поверхностных волн в об_емные, показало» что их максимальное отличие не превышает 1-2 градусов, а значений пос- | тоянной вытекания 10-20 %, причем максимальные отличия пос-| ледней приходятся на области слабой связи ДР и пленарного диэлектрического волновода (ВДВ), где наиболее велики ошибки измерений. В других областях частот максимальные отличия составляют 5-10 X. а среднеквадратическое отклонение экспериментальных и расчетных результатов укладывается в пределы 3-8 I для структур с одномер- I ной и двойной периодичностью. Сопоставление экспериментальных и \ теоретических исследования проводилось на примере структур со следующими параметрами: глубина пазов Ь1 ДР лежала в интервале от 4 мм до 9.2 мм, величина прицельного расстояния К изменялась от 2.5 мм до 25 мм, период гребенок составлял с! =24 мм, ширина пазов

изменялась от б мм до 12 мм. Все результаты расчетов дисперсионных зависимостей исследуемых! структур подтверждены экспериментальным путем.

Найдены области параметров исследуемой двумернопериодичной структуры ( V/ / А0. Я / Л0), в которых может быть использована од-номернопериодичная математическая модель при уровне точности, достаточном для инженерных расчетов. Это обстоятельство значительно упрощает и ускоряет процесс проектирования ПУДТ.

Проведенные исследования показали, что уровень кросс-поляризационного излучения не превышает -20 дБ в диапазоне частот от 8.0 ГГц до 12.4 ГГц для уу =8 мм; При уменьшении ширины пазов до значения У/=6 мм уровень кросс-поляризованной волны снижается до -24.5 дБ. В процессе проектирования и изготовления ПУДТ на основе описанной структуры приходится выбирать компромисс между требуемым уровнем кросс-поляризованного излучения и простотой используемой технологии.

В 3 главе исследованы принципы построения плоских управляемых устройств типа "антенна-поляризатор", предложены технические основы построения дифракционных структур с управляемыми поляризационными характеристиками. Разработаны новые конструкции плоских дифракционных устройств с совмещенными антенно-поляризационными функциями, проведен сравнительный анализ- узлов возбуждения дифракционных входных устройств для радиотехнических систем локации и передачи информации.

Исследованы возможные режимы работы ПУДТ (нерезонансный и резонансный) . Показано, что в ПУДТ с электронным управлением поляризацией излучения могут быть использованы одномерно- и двумернопе-риодичные структуры, причем применение двумернопериодичных структур является более перспективным направлением, так как в большинстве радиотехнических систем специального назначения предпочтительней использовать режим нормального излучения: в радиолокации, системах космической связи и телевизионного спутникового вещания.

Предельно достижимые параметры ПУДТ, работающих в режиме брэгговского резонанса второго порядка, приведены в табл. 1:

Таблица 1. ;

Вид возбуждения 1 Эффективность ПУДТ.1 Уровень ! Оптимальный

1 X ! боковых 1 параметр связи

I ! лепест- I

! I ков. дБ !

Л-1

Встречное

96.0 87.0

-9.6 -12.0

2.0 1.0

Центральное С*) £6.0 -17.0 1.0

(*) При использовании короткозамыкателей на торцах ПДВ.

Описаны новые варианты конструкций ПУДТ, проведен сравнительный анализ их технических параметров и эксплуатационных качеств.

Экспериментальные исследования предложенного рупорно-щелевоп устройства (РЩУ) возбуждения входных дифракционных структур радиотехнических систем локации и передачи информации, (используемого 1 одном из вариантов ПУДТ) показали, что в полосе частот от 11.1 ГГ1 до 11.5 ГГц (полоса частот, используемая для передачи телевизионных программ с геостационарных систем спутникового вещания) его эффективность составляет не менее 75 %,, а на центральной частоте 11.3 ГГц равна 85 %, причем в диапазоне частот 10.8-11.8 ГГц значение КСВН не превышает 1.8, а уровень боковых лепестков (УБЛ) устройства не превышает -19 дБ (расчетное значение составляет -20.3 дБ). Размеры излучающей апертуры РЩУ - 400x10 мм.2 Таким об-|, разом, результаты расчетов и экспериментов показывают, что РЩУ может использоваться в качестве высокоэффективного возбуждающего устройства ПУДТ. в частности для систем приема спутникового телевизионного вещания.

Проведенные экспериментальные исследования возбуждающего уст-] ройства, основанного на желобковом волноводе с диэлектрической вставкой, на которую нанесены парные полосковые вибраторы, показа^ ли, что оно имеет полосу частот около 600 МГц (при снижении уровш коэффициента усиления на 3 дБ), причем на центральной частоте 11.5 ГГц общая эффективность достигает 90 X. КСВН в полосе частот

11.1-12.0 ГГц не превышает 1.8. УБЛ линейного устройства составлял -16.7 дБ (при теоретическом значении -17 дБ). Параметры устройства выбраны следующими: внутренние размеры желобка 10x10 мм? сечение фторопластового волновода (£>-=2.0) равно 11.5x9.5 мм? размеры полосок выбраны равными 6.5x1.0 мм.2 Период решетки равен 20 мм, расстояние между полосками в паре - 4 мм. Оба плеча устройства содержат по 10 пар полосок.

В 4 главе описана разработанная методика инженерного проектирования входных СВЧ и КВЧ устройств с интегрированными функциями для радиотехнических систем передачи информации. Проведена оптимизация параметров плоских управляемых устройств типа "антенна - управляемый поляризатор". Выполнены экспериментальные исследования плоских дифракционных входных устройств с электронным управлением поляризацией для радиотехнических систем КВЧ и СВЧ диапазонов. Изготовлен и исследован лабораторный образец ПУДТ с электронным управлением поляризацией излучения для систем непосредственного приема телевизионного спутникового вещания. Излучающая апертура устройства представляет композицию двумернопериодич-ной цельнометаллической ДР и полистирсшового ЩВ (£>-=2.56, t<j =0.001), возбуждаемого встречно четырьмя РЩУ, расположенными с обратной (нерабочей) стороны ДР. Экспериментальные исследования ПУДТ показали следующие результаты: общая эффективность устройства на центральной частоте 11.3 ГГц рабочей полосы-частот составила 60 Z, ширина рабочей полосы частот (при снижении эффективности на краях до 40 X) - 250 МГц; коэффициент усиления в рабочей полосе частот - 30.5-32.3 дБ; уровень КСВН во всей полосе частот <г 1.8; уровень боковых лепестков в Е- и Н- плоскостях составлял не более -13 дБ, а развязка по поляризации - не менее 20 дБ. Площадь излучающей апертуры ПУДТ - 0.16 кв.ку (габаритные размеры устройства без поляризатора - 455*455*55 мм).

Возможна работа ПУДТ в следующих режимах: а) прием (передача) радиоволн с круговой поляризацией с электронным переключением направления вращения; б) прием (передача) радиоволн линейной поляризации с электронным плавным управлением положением плоскости поляризации в интервале 0-90 градусов; в) прием и передача сигналов в одной и той же полосе частот на ортогональных линейных поляризациях. Следует отметить, что в режиме "а" в ПУДТ ис-

пользуется фааосдвигающее устройство на основе прямоугольного волновода, а в режиме "в" вместо управляемого ферритового поляризатора применяется разделитель поляризации. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность изготовления ПУДТ, обладающих высокой эффективностью и эксплуатационными параметрами, отвечающими требованиям к входным устройствам современных радиотехнических систем передачи информации и локации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Диссе*. .лционная работа посвящена разработке дифракционных устройств электронного ус яенкя поляризацией излучения в инфор-• мационных радиосистемах.

Основные научно-технические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Произведена оценка отрицательного влияния поляризационных эффектов в открытых каналах на потенциал радиотехнических систем СВЧ и КВЧ диапазонов и предложен способ ослабления этого влияния путем использования в качестве входных устройств радиотехнических систем плоских дифракционных структур с поляризационной чувствительностью.

2. Рааработана приближенная математическая модель дифракции плоской однородной электромагнитной волны на структуре, включающей! двумернопериодичную отражательную идеально проводящую дифракцион- | ную решетку типа "гребенка" и планарный диэлектрический волновод ; для случая узких пазов решетки (меньших половины длины волны). Но-| вым способом получены известные ране'е условия редуцирования парных бесконечных СЛАУ для произвольных параметров любой координатной структуры и падающей водны.

3. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие определять численные характеристики основных характеристик ис-1 следуемой структуры. Исследована сходимость метода редуцирования | бесконечных парных СЛАУ. Произведена проверка достоверности расчетных характеристик путем их сравнения с результатами экспериментальных данных и с результатами других авторов. Подтверждена пригодность предложенной математической модели для инженерных расче-

тов.

4. Показано, что при определенной геометрии исследуемой дву-мернопериодичной структуры ее основные параметры с достаточной для инженерной практики точностью описываются одномернопериодичной моделью.

5. Предложены различные технические принципы построения входных дифракционных устройств с электронным управлением поляризационными характеристиками, исследованы резонансный и нерезонансный режимы их работы в составе радиотехнических систем связи и радиолокации. Проведена оценка предельно достижимых параметров плоских дифракционных устройств, работающих в режиме брэгговского резонанса второго порядка, исследованы особенности, характерные для этого режима.

6. С учетом размещения на стационарных и подвижных об_ектах предложены конструкции плоских входных дифракционных устройств радиотехнических систем, функционирующие в резонансном и нерезонансном режимах, произведен сравнительный анализ их технических

I параметров и эксплуатационных качеств. Доказано экспериментальным 'путем, что входные устройства, использующие режим брэгговского резонанса второго порядка могут иметь общую эффективность до 60 X. Проведен сравнительный анализ узлов возбуждения исследуемых структур, предложены новые варианты их конструкций. Расчетные и экспериментальные исследования наиболее перспективных из них показали, что общая эффективность последних достигает 90 X. Разработаны рекомендации по выбору и расчету параметров дифракционных устройств управления поляризацией волн и узлов их возбуждения.

7. Разработана методика инженерного проектирования входных устройств дифракционного типа с электронным управлением поляризационных характеристик, учитывающая характерные особенности их функционирования в составе радиотехнических систем, подготовлены рекомендации по настройке и оптимизации их параметров.

8. Экспериментальными исследованиями подтверждена возможность изготовления дифракционных устройств управления поляризацией излучения, обладающих высокой эффективностью и эксплуатационными параметрами, отвечающих требованиям, пред_явдяемым к современным радиотехническим системам локации и передачи информации по открытому каналу.

9. Создана плоская антенна с электронным управлением поляри-

вацией излучения для систеы передачи информации и радиолокации. Соответствующие методики расчета использованы в промышленности при разработке систем наземной радиосвязи СВЧ и КВЧ диапазонов волн. Результаты работы внедрены в учебный процесс.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Климов А. И., Пастернак Ю. Г.. Юдин В. И. Плоская антенна СВЧ диапазона. // Теория и техника антенн: Тез. докл. 27 между-нар. научн.-техн. конф.- М.: 1994.- С. 320.

2. Климрв А. И.. Пастернак Ю. Г.. Юдин В. И. Исследование дифракционной плоской антенны с электронным управлением поляриза- ! сданными характеристиками // Синтез, передача и прием сигналов yni равления и связи.- Воронеж: 1994. - С. 110-113.

3. Климов А. И.. Пастернак Ю. Г.. Юдин В. И. Анализ эффективности волноводно-щелевой рупорной антенны // Синтез, передача и прием сигналов управления и связи.- Воронеж: 1994.- С. 86-88.

4. Климов А. И.. Пастернак Ю. Г.. Юдин В. И. Метод редукции парных бесконечных систем уравнений для произвольных координатных структур с острыми ребрами.- Воронеж. 1994.- 11 е.- Деп. в ВИНИТИ

15.12.94. N 2888.

5. Климов А. И.. Пастернак Ю. Г.. Юдин В. И. Оптимальные параметры плоских антенн дифракционного типа.- Воронеж, 1994. - 10 е.- Деп. в ВИНИТИ. 27.12.94. N 3048.

6. Kllmov A. I.. Pasternak Y. 6.. Yudln V. I. Truncation of the Infinite double algebraic equation set In the problems of thej electromagnetic wave scattering on the complex structures // Deve loproent directions on the radio comnunlcatlon systems and means, j Proc. 2-d Int. COnf.- 1995.- Voronezh.- P. 121-127.

7. Пастернак ю. Г. Математическое моделирование процесса дифракции плоских волн на двумернопериодичных гребенках, накрытых слоем диэлектрика.- Воронеж. 1995.- 31 е.- Деп. в ВИНИТИ 26.06.95 N 1873. j

8. Пастернак Ю. Г. Экспериментальное исследование основных ! антенных характеристик одномерно- и двумернопериодичных гребенок, накрытых слоем диэлектрика. - Воронеж, 1995,- 8 с.- Деп. в ВИНИТИ

26.06.95. N 1872.