автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Реализация амплитудно-фазовых распределений излучателей слабонаправленных малоэлементных щелевых СВЧ антенн с диэлектрическим покрытием

На правах рукописи

ИБРАХИМ САЛЕМ АЗЕЗ

РЕАЛИЗАЦИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ СЛАБОНАПРАВЛЕННЫХ МАЛОЭЛЕМЕНТНЫХ ЩЕЛЕВЫХ СВЧ АНТЕНН С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

2 2 Ш 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2015

005570911

005570911

Работа выполнена на кафедре Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева -

Официальные оппоненты:

Никулин Сергей Михайлович - д.т.н., профессор, профессор кафедры Компьютерных технологий в проектировании и производстве Нижегородского государственного технического университета им. Р. А. Алексеева.

Овчаров Алексей Петрович - к.т.н., научный сотрудник кафедры Автономные робототехнические системы Высшей школы информационных технологий и информационных систем Казанского (Приволжского) федерального университета

Ведущая организация:

«АО «Информационные спутниковые системы» им. ак. М.Ф.Решетнева», г. Красноярск.

Защита диссертации состоится 18 сентября 2015г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.079.09 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 31/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ и на сайте: www.kai.ru.

Отзывы на реферат, в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.079.09 Денисову Е.С.

КАИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Даутов Осман Шакирович.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Е.С. Денисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Малоэлементные слабонаправленные антенны решают важные задачи в составе радиосистем и их разработка представляет актуальную и, вместе с тем трудную задачу. Многие методы, с успехом применяющиеся для разработки фазированных антенных решеток (теория бесконечных периодических структур, методы геометрической и физической оптики, гибридные методы, позволяющие учитывать краевые эффекты при замене бесконечных структур конечными), для малоэлементных антенн, как правило, не эффективны. Трудности значительно возрастают при наличии в таких антеннах диэлектрических покрытий. Получение изотропного излучения - основной задачи слабонаправленных антенн, реализуемое в отсутствие покрытия одиночным щелевым излучателем, при его наличии превращается в трудную проблему из-за изрезанности диаграммы направленности одиночного элемента и требует применения нескольких. Это приводит к задаче синтеза изотропной диаграммы направленности излучателями с не изотропными диаграммами, которая при обычном подходе требует построения тензорной функции Грина неоднородного пространства. С помощью метода интегро-функциональных уравнений эти трудности удается частично преодолеть и рассчитать амплитуды и фазы излучателей по заданной диаграмме направленности при наличии диэлектрического покрытия конечных размеров и произвольной формы. Однако возникает проблема реализации полученных амплитудно-фазовых распределений, которая представляет самостоятельную задачу и является предметом предпринятого в настоящей работе исследования. Входное сопротивление каждого щелевого излучателя зависит от его положения относительно диэлектрического покрытия, от электрофизических его параметров.

В данной работе проведено исследование влияния размеров покрытия, включая и бесконечные, электрофизических параметров на частоту согласования отдельного щелевого излучателя и предложена его эквивалентная схема с реальной схемой возбуждения в виде резонатора с симметричной полосковой линией. Разработаны программы анализа и синтеза малоэлементных антенн и методика экспериментального исследования, что в совокупности позволяет реально проектировать такие антенны. В работе с помощью программ расчета на основе метода анализа и синтеза антенн с помощью интегро-функциональных уравнений и средств современного эксперимента впервые исследованы свойства малоэлементных щелевых антенн с диэлектрическим покрытием, в том числе и конечных размеров.

Целью работы является совершенствование характеристик слабонаправленных малоэлементных щелевых антенн под диэлектрическим

гул

покрытием конечных размеров и их фидерных систем на основе применения методов анализа и синтеза антенн с учетом неоднородности пространства, обусловленной наличием диэлектрического покрытия непосредственно в ближней зоне антенны.

Решаемые задачи для достижения поставленной цели следующие:

1. Исследование структуры поля внутри плоского диэлектрического покрытия, внешнего поля и диаграммы направленности элементарного щелевого излучателя.

2. Разработка эквивалентной схемы одиночного щелевого излучателя под однородным плоским диэлектрическим покрытием, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением.

3. Исследование влияния диэлектрического покрытия конечных размеров на диаграмму направленности и частоту согласования щелевого излучателя, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением.

4. Разработка алгоритма и программы расчета поля и диаграммы направленности малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров.

5. Разработка алгоритма и программы синтеза амплитуд и фаз малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием по заданной диаграмме направленности.

Методы исследования - численные методы прикладной электродинамики, методы теории антенн в материальных средах, методы экспериментального исследования антенн.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложена эквивалентная схема одиночного щелевого излучателя под однородным плоским диэлектрическим покрытием, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением.

2. Установлена степень влияния диэлектрического покрытия конечных размеров на диаграмму направленности и частоту согласования щелевого излучателя, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением в зависимости от параметров покрытия и его расположения относительно излучателя.

3. Исследованы направленные свойства малоэлементных щелевых антенн с диэлектрическим покрытием конечных размеров с помощью алгоритма и программы расчета на основе метода интегро-функциональных уравнений и средств современного эксперимента.

3. Установлена возможность синтеза квазиизотропной диаграммы направленности щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров и разработаны алгоритм и программа расчета амплитуд и фаз излучателей такой антенны.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается квалифицированным применением апробированных методов прикладной электродинамики, сопоставлением полученных результатов с результатами эксперимента и с аналогичными результатами других авторов в смежных областях.

Практическая значимость работы заключается:

1) в разработке программы и осуществлении расчета прямого и отраженного полей, создаваемых щелью в диэлектрическом укрытии, и поля в ближней зоне для различных толщин и параметров слоя, что предоставляет разработчикам возможность практически оценить степень влияния покрытия на направленные свойства и степени согласования щелевого излучателя;

2) в разработке стенда для настройки и согласования элементов антенны и эквивалентной схемы одиночного щелевого излучателя под однородным плоским диэлектрическим покрытием, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением;

3) в создании программ для расчета поля и диаграммы направленности малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров;

4) в создании программ для решения задачи синтеза антенной малоэлементных щелевых антенн с диэлектрическим покрытием включая схему возбуждения;

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования свойств поля щелевого излучателя внутри диэлектрического покрытия, непосредственно над его поверхностью в ближней зоне и диаграммы направленности, позволяющие выбирать режим работы антенны при наличии диэлектрического покрытия и оценивать его влияние на диаграмму направленности.

2. Результаты исследования свойств щелевого излучателя с диэлектрическим покрытием как элемента СВЧ схемы распределения мощности генератора, что дает возможность оценивать входные сопротивления элементов антенны при проектировании.

3. Результаты экспериментального исследования влияния электрофизических параметров, размеров и положения диэлетрического покрытия относительно щелевого излучателя на согласование и диаграмму направленности.

Личный вклад автора. Автор выполнил обзор и анализ литературы по работам других авторов в избранном направлении исследований, самостоятельно провел все экспериментальные исследования при решении поставленных задач. Им разработаны программные средства для решения прямой задачи расчета диаграммы направленности малоэлементной щелевой антенны под диэлектрическим покрытием и для решения трехмерной задачи синтеза малоэлементной щелевой антенны под диэлектрическим покрытием на основе метода интегро-функциональных уравнений.

Практическое использование результатов работы. Результаты работы использованы в учебном процессе путем привлечения студентов к выполнению совместных НИР по тематике дисциплин «Устройства СВЧ и антенны», «Антенны и распространение радиоволн», рекомендованы к внедрению в разработках предприятий соответствующего профиля.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих всероссийских конференциях:

1) Всероссийская научно-техническая конференция, «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара СГАУ - 2012);

2) X Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON - 2013, International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON - Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2013);

3) Международный конгресс «Проблемы и перспективы развития наукоемкого машиностроения», Международная научно-техническая конференция (Нигматуллинские чтения-2013, Казань);

4) XV Международная научно-техническая конференция (Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2014, Казань);

Публикации

Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях, из которых 4 входят в перечень ВАК, изложены в 4 тезисах докладов в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертационной работы

Общий объем работы составляет 125 страниц, в том числе 43 рисункав и 7 таблиц. Список использованной литературы включает 109 наименований.

Диссертация содержит введение, четыре главы основного текста, заключение, список использованной литературы, список сокращений и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цель и основные решаемые задачи, показана практическая значимость и научная новизна, представлены защищаемые положения и краткое содержание работы.

В первой главе на основе аналитического обзора литературы сформулирована постановка задачи проектирования малоэлементных слабонаправленных микрополосковых и щелевых антенн. Методы исследования характеристик резонаторно-щелевых антенных решёток развивались несколькими научными коллективами и также нашли отражение в работах А.Г.Свешникова,

A.С.Ильинского, А.Ю.Гринева и Ю.В.Котова (МГУ, Москва), С.Д.Кременецкого и Ю.Ю.Радцига (НГУ им. Ярослава Мудрого, Новгород), О.Ш. Даутова, Ю.Е. Седельникова, Н.Г. Воробьёва, A.A. Авксентьева (КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, Казань). Исследования по резонаторно-щелевым полосковым линиям были выполнены Е.И. Нефёдовым. Широко известны работы Е.Н.Васильева и Л.А.Вайнштейна по исследованию резонаторно-щелевых структур. Частотные свойства щелевых излучателей в слоистой среде наиболее полно рассмотрены

B.Н. Красюком, В.В. Чебышевым и Н.Ю. Филатовым. При проектировании антенн с диэлектрическими покрытиями необходимо учитывать влияние последних на характеристики излучения и, следовательно, на работу радиосистем в целом. Исследованы антенны с диэлектрическим покрытием бесконечных размеров и покрытий правильной геометрической формы. Не получили должного освещения в литературе вопросы трехмерной задачи расчета полей излучения щелевых антенн под слоем диэлектрика конечных размеров (даже с применением современных средств моделирования на основе пакетов Microwave Office, Advanced Design System (ADS), CST Microwave Studio (CST MWS), High Frequency System Simulator (HFSS) и др). Наиболее изученными являются вопросы синтеза амплитудно-фазового распределения по заданной комплексной диаграмме направленности для антенн без покрытия. Однако задача распространения соответствующих результатов на антенны с покрытием встречает значительные трудности и подход для ее решения с помощью интегро-функциональных уравнений, предложенный сравнительно недавно, поставил одновременно вопрос о возможности реализации полученных на этапе синтеза амплитуд и фаз щелевых излучателей слабонаправленных антенн.

Таким образом, в настоящее время имеет место необходимость разработки научно обоснованных средств проектирования щелевых слабонаправленных антенн с диэлектрическим покрытием конечных размеров, реализующих полученные в результате решения задачи синтеза по заданной диаграмме направленности амплитуды и фазы излучателей.

Во второй главе проведено исследование структуры поля внутри плоского диэлектрического покрытия, как суперпозиции невозмущённого поля щелевого излучателя в однородной среде с параметрами покрытия и поля отраженного от внутренней границы покрытия, а также внешнего поля и диаграммы направленности элементарного щелевого излучателя.

В соответствии с вышесказанным полное поле внутри слоя представляется в виде суперпозиции первичного возбуждающего поля и поля рассеянного внутрь слоя от внешней границы:

Ё = Ё0 + ЁГ (1)

где первичное поле, создаваемое щелевым элементом имеет следующее представление, которое получается из известного разложения скалярной функции Грина в двумерный интеграл Фурье, полученное Вейлем:

Ш = ^/С {^f d0Jx d0)yi

гас Esinc = sine ((ш1оа) ^ sine (¿olo [zQa]

Отраженное поле от внешней границы слоя тонкой щелевой антенны, можно представить следующим соотношением:

ЁЛг) = rOe-i2f^de-^^EsiT1

■ dcox dejy,

где £i(r) =

Сг(1 + R?(d)e-i2kicid)

ш±Qi CiSin(kiCiz) + (3)

Гаш, №0о), №(d)

+ f„ S, cos(kAz) + 1 ; sWtrt

vw - - -(i - |э/с+ssk=:-

Щ 2-(шхг + Шуг)

- соответственно внутренний коэффициент отражения для поляризаци параллельной и перпендикулярной плоскости падения.

Учитывая, что результаты получены для бесконечного плоского покрытия, отраженное поле, даже для достаточно плотного и толстого диэлектрика вблизи раскрыва щели оказывается на порядок меньше по сравнению с напряженностью возбуждающего первичного поля, что представляется естественным. Грубые оценки можно получить с помощью модели плоской волны, для которой коэффициент отражения от внутренней границы слоя для приведенных исходных данных составляет примерно 0.33, т.е примерно две трети поля преломляется во

внешнее пространство. Таков же порядок поля поверхностных волн расходящихся от щели вдоль слоя. Так что расчеты согласуются с ожидаемыми оценками.

При выполнении условий «X (15: длина щели), а также и^ «X ширина щели) можно считать, что напряженность электрического поля вдоль щели постоянна. Такая структура может рассматриваться как элементарный излучатель, создающий такое же электромагнитное поле, как виртуальный элементарный магнитный диполь. Структура поля, создаваемая элементарной щелью в дальней зоне (кг» 1), где к волновое число и г расстояние от щели до точки наблюдения.

2,

Е = щк1*РпС(гЖ6,<р)

Диаграмма направленности ДН:

?{в, ф) = ^ {в, <р)в0 + <р)фо,

(4)

где F0 (0, <р) = к0 со5 0

Р<р(д,Ф) = /соСО5 0

-5т(/?-<р) -ис;С,(1 2 „1к0 С05 ва

, * -1?к:Г.!Г1^С г- мл- с

Со, IV С; И^о

С05(/? — Ф)

1 + -Ик1С1й

1

С[ И^о

■¡¡кпсозвй

(5)

Полученные результаты дают достаточно точную оценку уровня отраженного поля в слое диэлектрика и, в том числе на раскрыве щели в режиме бегущих поверхностных волн от щелевого излучателя. Можно предположить, что для реальных покрытий конечных размеров, основным фактором, формирующим результирующую отраженную волну вблизи раскрыва будут отраженные от краёв покрытия поверхностные волны.

Такую же закономерность демонстрируют и результаты расчета диаграмм направленности. Видно, что разрушение диаграммы направленности в случае бесконечного слоя происходит при достаточно толстом покрытии. В то же время для укрытий конечных размеров на практике разрушение диаграммы направленности может наблюдаться при значительно меньших толщинах. Как правило, это сопровождается большей изрезанностью диаграммы направленности. Это позволяет считать, что основным механизмом разрушения являются стоячие поверхностные волны (резонанс), возникающие при возбуждении покрытия конечных размеров с различной конфигурацией кромок. Исследованию влияния этого механизма на параметры и согласование щелевых излучателей посвящена следующая глава.

В третьей главе проведено исследование условий согласования прямолинейной щелевой антенны в плоском экране с диэлектрическим покрытием конечных размеров, возбуждаемой полосковой линией в прилегающем с обратной стороны к экрану прямоугольном резонаторе с воздушным заполнением в зависимости от её положения относительно покрытия и предложена её эквивалентная схема (рис.1,а). Для этого разработана конструкция и выполнен макет щелевой антенны, возбуждаемой симметричной полосковой линией в объемном резонаторе с воздушным заполнением (рис. 1,6).

Щель с размерами ls = 60 мм, ws = 3 мм прорезана в центре экрана перпендикулярно к полосковой линии. Длина полосковой линии от входа до открытой конца составляет 99 мм. Размеры полости: Л = 160 мм (длина резонатора вдоль оси У); Д = 114 мм (длина резонатора вдоль оси Х)\ b = 14 мм (глубина полости вдоль оси Z). Значение характеристического сопротивления проводника Z0m = 50 Ом обеспечивается, при значениях b = 14 мм, t/b = 0.1, => w/b = 1.25, w = 17.5 мм.

Значения параметров эквивалентной схемы, соответствующие изготовленному макету, рассчитаны с использованием программы MathCAD 14: на частоте 2.64 ГГц Zs = 120 Ом (Zs - характеристическое сопротивление щелевой линии); Z0m = 50 Ом; Le = 39 мм; п = 0.86; Lc - 3.853 мм; Als -

2.5 мм; dmax = 28 мм; Le/(b/2) = 39/7 = 5.57 > 3

(Cf - емкость за счет краевого эффекта)

Проводимость излучения

Cf = t/(b/2) = 0.2 пФ2

С = 4 Cf = 1.8 пФ.

Рис.1, а. Эквивалентная схема прямоугольной щелевой антенны, возбуждаемой симметричной полосковой линией

Рис.1, б. Макет прямоугольной щелевой антенны, возбуждаемой симметричной

полосковой линией Проведено сравнение расчетных данных с результатами измерения (с помощью измерительного прибора, анализатора спектра ЯоЬск&ЗсЬлуагг РБШ) резонансной частоты /0, концевой емкости С, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) фидера и модуля коэффициента отражения антенны, показанной на табл. 1.

Таблица.! . Результаты расчета и эксперимента

Параметр Значение

Расчет Эксперимент

/п(ГГц) 2,64 2,66

С (пФ) 1.8 1.73

КСВН 2,0 2,3

0,33 0,40

Получено хорошее согласие результатов расчета с использованием построенной эквивалентной схемы с помощью прикладного пакета МаШСАГ) 14 и результатами измерений на макете. Результаты расчета, проведенного с использованием предложенной эквивалентной схемы, близки к результатам измерений. Предложенная эквивалентная схема является основой для проектирования щелевых антенн с полосковым питанием с повышенными требованиями к согласованию и реактивности входного сопротивления излучателей малоэлементных антенн под плотным диэлектрическим покрытием.

Во второй части главы исследовано влияние диэлектрического покрытия конечных размеров на диаграмму направленности и частоту согласования щелевого излучателя, возбуждаемого симметричной полосковой линией в резонаторе с однородным заполнением. Согласование щелевого излучателя на требуемой частоте при наличии диэлектрического покрытия обеспечивается подбором параметров эквивалентной схемы.

Полученные с помощью вспомогательной рупорной антенны (П6-23М) экспериментальные данные качественно согласуются с результатами моделирования с помощью программы НРЗБ: экспериментальная и теоретическая диаграммы направленности антенны без диэлектрического покрытия и, соответственно, без искажений, а также при наличии диэлектрического покрытия, представленные на рис.2, имеют схожую форму и, с учетом погрешности измерения диэлектрической проницаемости и проводимости покрытия, могут считаться достаточно близкими друг к другу.

без диэлектрического покрытия с диэлектрическим покрытием

без диэлектрического покрытия с диэлектрическим покрытием

б — результаты эксперимента Рис. 2. Диаграммы направленности (/ = 2,67 ГГц, плоскость Е): а — расчитанные с помощью программа НРЗБ; б - измеренные

В работе на основании большого объема экспериментальных исследований установлено существенное влияние диэлектрического покрытия на диаграмму направленности и согласование при различных положениях щели относительно покрытия, как при случаях, когда покрытие накрывает щель, так и при смещении щели за пределы покрытия. Это важно с точки зрения оценки влияния покрытия на соседние антенны. Результаты третьей главы являются основой для реализации возбуждения и согласования каждого излучателя антенны на требуемой частоте с помощью подбора параметров предложенной эквивалентной схемы и, соответственно, составной частью общей системы её проектирования на основе программных средств анализа и синтеза, которым посвящена четвёртая глава.

В четвёртой главе предложены программные средства для решения задач анализа и синтеза слабонаправленных малоэлементных антенн под диэлектрическим покрытием на основе метода интегро-функциональных уравнений. Интегро-функциональным уравнением для решения этих задач является уравнение для одиночного диэлектрического тела, которое отождествляется с диэлектрическим покрытием удвоенной толщины, и заменяет реальное покрытие с бесконечным экраном, размещенного в области К; с границей 5 с внешней нормалью V:

**« $ШЁе V]] " Ж£[г0[г0[Нег?]]]}егк'^^^ = Р01 (6)

где /С; - (/с^, соответственно постоянная распространения,

диэлектрическая и магнитная проницаемости материала диэлектрического тела, Ее, Не — граничные значения внешнего поля на поверхности Б, I= —

характеристическое сопротивление материала диэлектрического покрытия , Р01-диаграмма направленности по электрическому полю невозмущенных внутренних источников возбуждения.

На рис.3 приведены диаграммы направленности, рассчитанные при различном числе вспомогательных источников. Видно, что форма диаграммы направленности качественно воспроизводится уже при сравнительно небольшом числе вспомогательных источников (Ы = 4). Увеличение числа вспомогательных источников с 4 до 9 приводит к изменению боковых лепестков диаграммы направленности.

Рис. 3. Амплитудная диаграмма направленности невозмущенных внутренних сторонних источников Р0;(8,ф) и аппроксимированная, (8 е [0, ти/2],ф = 0, тт,

плоскость Е)

Во второй части главы представлена методика решения трехмерной задачи синтеза антенной решетки под слоем диэлектрика конечных размеров из щелевых излучателей. Задача распадается на два этапа. На первом этапе по заданной диаграмме направленности во внешнем пространстве определяются амплитуды и фазы напряжений вспомогательных источников и находится т. н. реализуемая диаграмма направленности и соответствующее ей внешнее поле. Выбор расстояния между этими вспомогательными источниками осуществлялся на основании уравнения синтеза антенн в однородном пространстве с параметрами внешнего пространства. Вспомогательные источники находятся в плоскости экрана в пределах площади под диэлектрическим покрытием, таким образом на этом этапе определяется внешнее поле. На втором этапе по найденному внешнему полю с помощью уравнения (6) определяется диаграмма направленности невозмущеннного поля внутренних источников, т. е. реальных щелевых излучателей. Задача снова сводится к задаче синтеза антенн в однородном пространстве, но уже с параметрами материала диэлектрического покрытия (в частности, эквидистантных решеток в пространстве с постоянной распространении материала диэлектрического тела Устойчивость

алгебраической системы при этом достигается при расстояниях между элементами решетки не менее А;/4, где длина волны в диэлектрике.

Численные результаты представлены на примере синтеза решетки состоящей из пяти щелевых излучателей под диэлектрическим покрытием (одна в центре и 4 как симметричная матрицы относительно центра, расположенной вдоль оси Ох), для заданной диаграммы направленности микрополосковой щелевой антенны.

Приведенные на рис.4 результаты показывают достаточно хорошее совпадение синтезированной диаграммы направленности с заданной.

Рис. 4. Амплитудная диаграмма направленности заданная и синтезируемая, (Э £ [0,тт/2],ф = 0, тс, плоскость Е)

Результаты решения прямой задачи и задачи синтеза показывают возможность анализа и проектирования малоэлементных антенных решеток с помощью предложенного подхода за достаточно приемлемое время. При этом результаты синтеза, приведенные для заданной диаграммы направленности микрополосковой щелевой антенны, демонстрируют наличие решений с различным расположением щелевых излучатели относительно координатных осей. Это дает возможность выбрать в некоторых случаях решение, соответствующее наименьшим размерам антенны.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, приведены методические рекомендации по практическому внедрению новых разработок и исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведено исследование поля щелевого излучателя под бесконечным слоем диэлектрика с учётом конечной ширины щели в виде суперпозиции невозмущенного поля, распространяющегося от щели, и отраженного поля от границы слоя, набегающего на щель, что позволяет рассчитывать коэффициент отражения и входное сопротивление щелевого излучателя, как элемента СВЧ схемы. Установлено, что основным фактором разрушения диаграммы направленности является отражение поверхностных волн от краев диэлектрического покрытия конечных размеров и образования в нем режима стоячих поверхностных волн. Получение ненаправленного излучения, реализуемое одиночным щелевым излучателем в отсутствии покрытия, может потребовать при его наличии нескольких излучателей и решения соответствующей задачи синтеза.

2. Экспериментально исследована степень влияния диэлектрического покрытия на диаграмму направленности и согласование щелевого излучателя в широком диапазоне смещения и поворота антенны относительно покрытия не только, когда покрытие накрывает щель, но и при достаточно большом сдвиге, при котором антенна смещается за пределы покрытия, когда покрытие уже почти не влияет на антенну и чем больше расстояние между осью диэлектрического слоя и осью щели, тем меньше искажения, появляющиеся в диаграмме направленности антенны. Это важно для оценки влияния покрытия на соседние антенны.

3. Разработан стенд для настройки и согласования элементов антенны. Предложена эквивалентная схема прямолинейной щели в стенке резонатора с однородным заполнением и методика её согласования на заданной частоте. Согласование щелевого излучателя на требуемой частоте при наличии диэлектрического покрытия обеспечивается подбором параметров эквивалентной схемы.

4. Разработаны алгоритмические и программные средства для решения задач анализа и синтеза малоэлементной щелевой антенны с диэлектрическим покрытием конечных размеров. Из результатов расчета видно, что форма диаграммы направленности качественно воспроизводится уже при сравнительно небольшом числе вспомогательных источников.

В совокупности полученные результаты позволяют решать основные задачи проектирования малоэлементных щелевых антенн под слоем диэлектрика конечных размеров - обеспечивать требуемые направленные свойства путем решения задачи синтеза и режим согласования каждого отдельного излучателя.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ибрахим Салем. Влияние плоского диэлектрического укрытия на характеристики щелевых антенн / Даутов О.Ш., Ибрахим Салем // Вестник казан, гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева. - Казань, 2012. -№4, вып.1. - С. 124 - 130.

2. Ибрахим Салем. Эквивалентная схема щелевой антенны, возбуждаемой симметричной полосковой линией в объемном резонаторе с воздушным заполнением / Даутов О.Ш., Воробьев Н.Г., Ибрахим Салем // Антенны. Радиотехника. - М., 2013. - №6. - С. 23-27.

3. Ибрахим Салем. Исследование диаграммы направленности и частоты согласования прямоугольной щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрика и возбуждаемой симметричной полосковой линией в объемном резонаторе / Даутов О.Ш., Ибрахим Салем // Вестник Поволжск. гос. технологии, ун-та. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - 2013. - №3 (19). - С. 7179.

4. Ибрахим Салем. Синтез амплитудно-фазовых распределений напряжений щелевых излучателкй малоэлементных СВЧ антенн с диэлектрическим покрытием / Даутов О.Ш., Ибрахим Салем // Вестник казан, гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева - Казань, 2014. -№2. - С.136 - 147.

Публикации в других изданиях:

5. Ibrahim Salem. 3D microwave antenna synthesis taking into account dielectric coating and the desired radiation pattern / Dautov O. Sh., Ibrahim Salem // European Scientific Journal. - Edition 2014. - Vol.10, №12- P. 210-222.

6. Ибрахим Салем. Возбуждение диэлектрического покрытия щелевой антенной / Даутов О.Ш., Ибрахим Салем // Всероссийская научно-техническая конференция, «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций»: материалы. Всеросс. НТК. - Самара: СГАУ, 2012. - С.63-65.

7. Ибрахим Салем. Прямоугольная щель в стенке резонатора с однородным заполнением как элемент СВЧ-схемы / Даутов О.Ш., Воробьев Н.Г., Ибрахим Салем // X Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2013, International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, September 12-13, 2013. IEEE Catalog Number: CFP13794-CDR. ISBN: 978-1-4799-1060-1.

8. Ибрахим Салем. Влияние диэлектрического укрытия на частоту согласования излучателя в виде прямоугольной щели в стенке резонатора с однородным заполнением / Даутов О.Ш., Воробьев Н.Г., Ибрахим Салем // Международный конгресс «Проблемы и перспективы развития наукоемкого машиностроения», Международная научно-техническая конференция «Нигматуллинские чтения-2013», 19 - 21 ноября 2013 г. - Казань, 2013 - С. 237238.

9. Ибрахим Салем. Влияние размеров слоя диэлектрика укрытия на диаграмму направленности щелевой антенны / Даутов О.Ш., Ибрахим Салем, Осипов В.С // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2014: материалы XV Международной научно-технической конференции. Оптические технологии в телекоммуникациях ОТТ-2014: материалы XII Международной научно-технической конференции, 18-21 ноября 2014 г. - Казань, 2014. Т. 2. - С. 50-51.

Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100. Заказ Д49

Полиграфический участок Издательства КНИТУ-КАИ 420111, Казань, К.Маркса, 10