автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Широкополосный моноимпульсный облучатель

На правах рукописи УДК 621 396 33 528 8

ЗО МОЕ АУНГ

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ

Специальность 05 12 07 - «Антенны, СВЧ - устройства и их технологии»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□3445

003445104

Работа выполнена на кафедре радиофизики, антенн и микроволновой техники Московского авиационного института (государственного технического университета)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

ДИ Воскресенский

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Защита диссертации состоится " 23 " сентября 2008 г в_часов

на заседании диссертационного совета Д 212 125 03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу 125993, г Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ Автореферат разослан года

Ученый секретарь диссертационного совета

В В Чебышев

кандидат технических наук, начальник лаборатории В И Адрианов

Ведущая организация ОАО КБ "Лира'

и

Д 212 125 03, к т н , доцент

М.И Сычев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

В основу построения современных радиосредств и систем связи, локации, пеленгации, радиоэлектронной борьбы, радиомониторинга, радиоконтроля и других технических приложений наиболее часто закладываются малогабаритность и сверхширокополосность в области антенн

В последние годы в антенной технике возникла необходимость создания интегрированных антенных систем, обеспечивающих совместную работу различных радиосистем Для совмещения различных функций радиосистем современная антенная система должна обеспечивать приемлемые характеристики направленности в широкой полосе Совмещение излучателей различных диапазонов в одной антенной системе приводит к ухудшению характеристик направленности антенной системы, работающей в одном диапазоне, из-за взаимодействия излучателей этого диапазона с излучателями других диапазонов Кроме того этот подход приводит к увеличению стоимости и массогабаритных параметров антенной системы Поэтому создание малогабаритных широкополосных излучателей является одним из наиболее важных направлений

В настоящее время в радиолокационной технике для идентификации летательных аппаратов (ЛА) с очень малой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) стали интенсивно заниматься сверхширокополосными сигналами В системах связи также стали использоваться сверширокополосные сигнали В таких областях как пассивная радиопеленгация, отслеживание спутников, радиоастрономия, системы следящего углового измерения, спутниковая связь, некоторые оптические следящие системы, беспроводные компьютерные системы и т д, в которых применяется автоматическое сопровождение целей, возникла необходимость создания моноимпульсных антенных систем, работающих в широкой полосе В радиотехнических системах СВЧ диапазона применяются самые разнообразные типы антенн Особое место среди них занимают так называемые антенны оптического типа К ним относятся главным образом зеркальные и линзовые антенны Важным элементом зеркальной и линзовой антенны является облучатель, многом определяющий характеристики всей антенной системы

Построение широкополосных моноимпульсных антенных систем связано с разработкой излучающего элемента и построением

устройства возбуждения, обеспечивающих работу в широкой полосе

Излучающий элемент широкополосного моноимпульсного облучателя должен обладать малыми массогабаритными параметрами и обеспечивать требуемое изменение характеристик направленности в рабочей полосе частот Этим требованиям удовлетворяют излучатели на основе симметричных щелевых линий Излучатель на основе симметричных щелевых линий (TSA- Tapered Slot Antenna) был предложен Льюисом в 1974 Щелевый излучатель с экспоненциально расширяющейся щелью, называемый антенна «Вивальди» был предложен Gibson в 1979 году Излучатели на основе симметричных щелевых линий (в том числе излучатель «Вивальди»), в отличие от других излучателей, обладают выигрышами в массогабаритных характеристиках, диапазонное™ и совместимость с микроволновыми интегральными схемами (MIC) Эти излучатели может выполняться как в металлическом (проволочном), так и в печатном исполнении

Мосты, с которыми строятся компараторную схему моимпульсной системы, должны обладать широкой полосой Для практической реализации моноимпульсного режима работы применяются мостовые устройства с фазовым соотношением между плечами моста 180°, обладающие малыми массогабаритными параметрами и обеспечивающими требуемое изменение рабочих характеристик в полосе частот Мостами называются направленные ответвители (НО) с переходным ослаблением 3 дБ Волны напряжений в выходных плечах моста обладают постоянным фазовым сдвигом в рабочем диапазоне частот Направленные ответвители находят широкое применение в различных радиосистемах Они используются при построении смесителей и переключателей, а также в качестве сумматоров и делителей в схемах сложения мощностей генераторов, в измерительной технике, в диаграммообразующих схемах антенн Реализация различных коэффициентов связи позволяет строить на основе направленных ответвителей распределительную систему антенной решетки с неравномерным амплитудным распределением Все это представляет интерес, как с научной, так и с практической точки зрения

Поэтому проектирование и создание широкополосного моноимпульсного облучателя для антенны является актуальной научно-технической задачей

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является электродинамическое моделирование моноимпульсного облучателя антенны в целях исследования характеристик излучения в суммарном и разностных каналах и согласования облучателя в широком частотном

диапазоне

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе требует решения следующих основных задач:

• Анализировать литературу по тематике, связанной с различными моноимпульсными антенными системами и искать путь(возможности) построения широкополосного моноимпульсного облучателя

• Выбрать тип излучателя для излучающей части облучателя и установить возможность использования выбранных излучателей в качестве излучающего элемента облучателя

• Установить доставерность результатов, рассчитанных с помощью пакета электродинамического моделирования CST Microwave Studio

• Исследовать характеристики выбранных излучателей в широком диапазоне частот

• Исследовать характеристики широкополосного моноимпульсного облучателя из выбранных излучателей

• Найти возможные варианты построения широкополосных мостовых устройств для компараторной схемы моноимпульсного облучателя и исследовать их характеристики в широкой полосе

Методы исследований.

Вычислительные методы электродинамического моделирования, методы теории антенн, численные методы математического анализа, системы электродинамического моделирования

Научная новизна работы

заключается в следующем-

• Предложены и исследованы широкополосные мостовые устройства на микрополосковой и щелевой полосковой линиях

• Проведено электродинамическое моделирование излучателей, применительных к широкополосному моноимпульсному облучателю антенн

• Представлены результаты электродинамического моделирования моноимпульсного облучателя из четырых щелевых излучателей Практическая значимость результатов работы

Проведенный электродинамический анализ и результаты показывают практическую возможность построения широкополосного моноимпульсного облучателя, работающего в полосе частот не менее 25 1

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим

совпадением расчетных характеристик излучателя с известными экспериментально измеренными и также подтверждается совпадением в частных случаях полученных теоретических характеристик с ранее известными результатами.

Основные положения, выносимые на защиту

• Построение широкополосных мостовых устройств на основе микрополосковых и щелевых полосковых линий

• Построение широкополосных излучателей на основе симметрично расширяющихся щелей для излучающей части моноимпульсного облучателя

• Построение широкополосного моноимпульсного облучателя

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на V молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь-перспективные технологии», Москва, 15-16 марта 2007 г, на научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Москва, 19 апреля 2007 г, на 4-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008», Севастополь,Украина, 21-25 апреля 2008 г, на научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Москва, 21 апреля 2008 г

Публикации.

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 7 печатных работы, из них 3 научных статьи и 4 тезиса докладов

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 130 машинописных страницах и состоит из пяти разделов, заключения и списка использованных источников Иллюстративный материал представлен в виде 100 рисунков и 15 таблиц Список использованных источников включает 78 наименований на 8 страницах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы посвящена обзору по тематике, связанной с моноимпульсными антенными системами Рассмотраны конструкции моноимпульнсных антенных систем в том числе моноимпульсные облучатели для зеркала, линз или фазированных антенных решеток с пространственным способом возбуждения и моноимпульсные антенные решетки

Рассмотрены основные наиболее важные методы оптимизации суммарной и разностных диаграмм направленности антенных систем

Метод сопровождения, позволяющий получить информацию об ошибке угловых координат на основе одного отраженного сигнала, называется моноимпульсным или методом одновременного сравнения отраженных сигналов В настоящее время моноимпульсный метод является самым точным и быстрым методом для электрического обнаружения местонахождения цели Существуют три типа моноимпульсных систем Это амплитудный, фазовый и суммарно-разностный Моноимпульсные антенны с суммарно-разностными характеристиками получили широкое распространение В моноимпульсных системах, определяющих угловые координаты по одному отраженному импульсу, в режиме приема в антенне одновременно формируется три диаграммы суммарная диаграмма направленности и две разностных для двух ортогональных плоскостей

(А-В)

ГЕ^рЮЕЫЙ Гк^ргаЕы?

Р« У»«

РЗЦГ 3£2

—ЦтС)-{М>»ЛН ^кссть гг ¡¡и:..

П'СТКДЕЬП* Гибридом

V3.iT

(С-О)

_СА+ВМС+П)-ЛЕ Разн<?гъ г:, тт.

С№ а

Рис 1 Схема моноимпульсной антенной системы На рис 1 показана структурная схема моноимпульсной антенной системы с суммарно-разностными характеристиками Для формирования суммарной диаграммы направленности вся поверхность антенны (А, В, С, Б) должна возбуждаться синфазно 1 = (Л + В) + (С + £>) Максимум такой диаграммы направленности совпадает с фокальной осью антенны Разностная диаграмма направленности в азимутальной плоскости формируется при противофазном возбуждении левой и правой половин раскрыва антенны Д# = (Я + С)-(Д + £>) Разностная диаграмма направленности в угломестной плоскости формируется при противофазном возбуждении верхней и нижней половин раскрыва антенны д£ = (Л + В)-(С + 0) Разностные диаграммы направленности, имеющие нуль в направлении оси антенны, используются для получения сигнала ошибки в соответствующей плоскости

Моноимпульсные облучатели в зависимости от назначения и технических требований выполняют в виде системы, состоящей из

электрических, магнитных вибраторов (щелей) или волноводов, а также

Многомодовый моноимпульсный рупорный облучатель (рис 1) состоит из волноводного делителя мощности, четырех многомодовых рупорных облучателей и пяти волноводных нагрузок

Для формирования суммарной диаграммы направленности возвуждаются только два центральных рупора через волноводов А2, В2, АЗ, ВЗ При возбуждении суммарного канала распределение поля в апертуре рупора представляет собой сумму £10 и е10 волн При этом получается амплитудное распределение со спадом на краях в азимутальной плоскости и равномерное амплитудное распределение в плоскости угла места Все четыре многомодовые рупоры используются для получения разностной диаграммы направленности в плоскости угла места При возбуждении азимутального разностного канала в двух центральных рупорах через волноводы А2, В2, АЗ и ВЗ возбуждаются волны е20 (в противофазе левую половину центральных рупоров по отношению к правой половине этих рупоров) Этот многомодовый моноимпульсный облучатель работает в диапазоне (9 5 - 10 5 ГГц) с коэффициентом стоячей волны по напряжению КСВн=1,3

На рис 2 показана моноимпульсная антенна в виде интегрированного рупора (полоса чстот 90-94 ГГц) Итерированный рупор состоит из многоярусных кремниевых пластин Сама моноимпульсная антенна состоит из одного симметричного диполя для формирования суммарной диаграммы направленности и пары антипараллельных диполей для формирования разностной диаграммы направленности в азимутальной плоскости (рис 2) Суммарная антенна возбуждается волной типа £10, которая формирует размытый максимум в направлении оси антенны Разностная антенна возбуждается волной типа е20, которая формирует ДН с глубоким нулем в направлении оси антенны Микрополосковая моноимпульсная антенная решетка из 64

элементов в Х-диапазоне показана на рис.3.

Моноимпульсная антенная решётка состоит из четырёх отдельных 16-элементных антенных решёток. Диаметр общей антенны состовляет 24.5 см, шаг решётки - 0.59/^ (оси х) и 0.69^ (оси у), и толщина подложки(РЯ4) - 1.6 мм. Моноимпульсная антенная решётка работает в полосе 200 МГц (средняя частота - 10 ГГц) и излучает поле с линейной поляризацией. На рис.4 показаны диаграммы направленности этой моноимпульсной антенной решётки в Е- и Н- плоскостях._

Рис.3

Рис.4-а Рис.4-6

Построение широкополосного моноимпульсного облучателя связано с разработкой излучающего элемента и построением схемы возбуждения, обеспечивающей работу в широкой полосе и формирование суммарно разностных ДН. Излучающий элемент широкополосного моноимпульсного облучателя должен обладать малыми массогабаритными параметрами и обеспечивать требуемое изменение характеристик направленности в рабочей полосе частот. Этим требованиям удовлетворяют излучатели на основе симметричных щелевых линий.

Во второй главе проведено аналитическое решение характеристики направленности щелевых излучателей. Для этой цели построена упрощенная физическая модель их двух расходящихся

проводников (рис.5), обтекаемых бегущей волной тока 1(х) = /о-е~г'х, аналогично в ромбической антенне.

Для пояснения принципа действия этой модели рассмотрим

излучение провода, обтекаемого бегущей волной тока: 1{х) = /д. Выражение для излученного поля имеет вид

(¡•к-со5(0о-7)-Ь-1

Е(х,0) = 1-^-1о -вад-в .е--кт0 (1)

Где к = 2ж / Л - фазовая постоянная свободного пространства; Ь - длина провода, обтекаемого бегущей волной; х - расстояние от начала излучающей системы; 10- амплитуда тока возбуждения в начале линии; Г0 - расстояние от начала координата до точка наблюдения; у - (а + Ц5)

- замедление фазовой скорости волны возбуждения; а-коэффициент затухания, характеризующий изменение амплитуды вдоль линии; (3-козффициент фазы, характенизующее изменение фазы вдоль линии.

Рис.5 Рис.6

Если пренебречь затуханием, (1) принимает вид

sin(9) r° 1 - cos(0)

k-L

2

(1 - cos(ö))

Соответствующая ДН в плоскости, проходящей через ось провода показана на рис.6. Каждый из проводов этой модели излучает в пространство конус лучей, ось которого совпадает с осью провода. ДН этой модели показана на рис.7. При этом частота: 10 ГГц; угол раскрыва: \|/=31°; длина провода: Ь= 17.5 мм.

Рис.7 Рис.8-а

Для того чтобы сравнить рассчитанные ширины ДН с помощью формулы (2) с результатами численного электродинамического моделирования (CST Microwave Studio), построим некоторые модели, показанные на рис.(8-а, б и в). Все эти модели имеют одинаковые длина и

угол раскрыв (угол раскрыва у=31°, длина Ь=17 5 мм) Полученные ширины ДН всех этих моделей показаны на таблице (1)

Рис 8-6 Рис 8-в

Таб 1

Частота (ГГц) Ширина диаграммы направленности 20О7 (град)

Модель из двух проводов Модель-1 рис(8 а) Н'=1гпт Модель-2 рис(8 6) Н'=7тт Модель-3 рис(8 в) Н=20тт

7 76 65 46 5 78

8 72 62 6 46 7 70

9 69 66 4 44 3 65

10 66 60 37 7 50 6

11 63 53 33 52 3

12 61 44 5 33 1 53 0

13 58 38 6 34 7 51 7

14 56 372 35 2 47 3

В работе так же рассмотрен анализ характеристик направленности антенн на основе симметричных щелевых линий с помощью метода моментов

Рис 9-а - геометрия излучателя Рис 9-6 модификация излучателя для

расчета характеристик методом моментов Метод основан на определении поля излучения антенны путем решения интегральных уравнений, связывающих поле с токами,

протекающими по проводящим поверхностям антенны Для упрощения решения методом моментов удобно представить излучатель в виде рис 9(6) и применить прямоугольную сетку Подложка имеет толщину с! и диэлектрическую проницаемость ег Антенна возбуждается источником тока или напряжения через зазор Если считать, что источники (.7,, М,) находятся в объеме V и излучение осуществляется через поверхность Б, то интегральное уравнение, связывающее поле излучения с возбуждающими токами можно записать в следующем виде

я (/А -м,нт)ь=-ф,Ёт-м,нт)ь> (3)

5 V

где (¿т-, Нт) -компоненты электромагнитного поля в свободном пространстве, Зт- ток источника, , М5) - токи на поверхности антенны Для проводников с конечной проводимостью граничное условие можно записать в виде М5 = * " (4)

где - сопротивление материала проводящей поверхности

Если поверхность антенны - идеальный проводник, то М5 исчезает и уравнение (3) решается методом моментов относительно неизвестных (•Ту,М5) Неизвестные Смогут быть разложены в ряд по N базисным

N

функциям в виде Л = ^ К ^п

п=1

Дискретизация уравнения (3) приводит к системе линейных уравнений, решаемой относительно неизвестных коэффициентов /„

>и=/,2,

где и Утп = Ш (•/, ¿„-М,НЯ)Ь

Рис 10(а)-разбиение проводящей поверхности, (б)-поверхностный диполь с кусочно-синусоидальным распределением тока

Рис 11 Для расчета взаимных сопротивлений между

непараллельными диполями

При решении предполагается, что каждый ток, протекающий по диполю, образуемому элементом поверхности, является кусочно-синусоидальным (рис 10)

- „ 1 зтА:0 (/г - |г|) и с = 2----

ъИ sink0h 'W<w' N<A

где k^-lTdhj, h> - длина волны в свободном пространстве Общее число мод каждого элемента Основной задачей моделирования метода моментов является расчет матрицы импедансов элементов Взаимное сопротивление двух диполей 1 и 2, показанных на рис 11 определяется следующим выражением

Z"= itl IwQD, } \E[k0(R„ + pzl+qr,)V'^dudv

sin(i0A,)sin(t0A2) U ti -i

где Ci=C3=Dj=D3=l, C2=-2cosk0ht и D2=-2cosk0h2 Rkl = (/•/ + z\ - 1 r,zk cos if/)111- ri=n+(l-2)h2 , ri=-mv,cosy+ u\v2cosy+ y. cosy/, :/i=:j+(k-2)hi , :i=-uwiCosy/+ uw2cosy/+y* cosy/-:>, длины диполей 1 и 2 - 2hi и 2h2 соответственно у», z« - координата центра диполя 2,2W| -ширина диполя 1, 2w2- ширина диполя 2

ShiH-nre ««и — мгслмимчв

ш

шп

_L

1

40 Ч) -"О

вэ ео ко

5 15 М Г I I чН1Н MCWUM , wrrayi-..»«! — — WC4M \ / \ ^ Д"*Е-пчк.*гстм

и | A

К' -iL i L . .-!.

г \ ! ! fm\\

I If ¡1 ' ' If f i * — -

м f\h I

8 IS 1<0 9 Л 30 60 М 20 1 3 80 Ф а

Рис 12-а ДН излучатея в двух главных Рис 12-6 ДН излучатея с расширяющейся плоскостях (f = 9 ГГц) [L=17 3 cm, H=3cm, щелью (f = 9 ГГц) [L=10 cm, H=3cm, W|=lmm, a=7°, t=2 54 cm и £, = 1 04] w,=0 75mm, a=6°, t=0 71mm и Er = 3 33]

Установлена достоверность результатов, рассчитанных с помощью пакета электродинамического моделирования (CST Microwave Studio) при сравнении теоретическими и экспериментальными результатами На реи 12 показано сравнение полученных численных результатов с экспериментальными данными и теоретическими результатами, рассчитенные с помощью метода моментов Результаты показывают хорошее совпадение Поэтому далее были использованы результаты электродинамического моделирования

В третьей главе проведено исследование электродинамических характеристик щелевых излучающих элементов Рассмотрены различные конструкции щелевых излучателей применительно для моноимпульсного облучателя С использованием метода параметрической оптимизации и пакета электродинамического моделирования (CST Microwave Studio) проведено исследование характеристик направленности различных типов широкополосных щелевых излучателей на основе симметричных щелевых линий

Общий вид излучающего элемента на основе расширяющихся щелевых линий показан на рис 13 Для излучения в нижней частоте полосы, максимальная ширина щели в раскрыве излучателя (см рис 3 3) должна быть

- L L

I

Lra

Wj

j - «m \

L- __J

^max — Asmax I ^

(6)

Где Xs max - длина волны в материале подложки с диэлектрической проницаемостью Ег при частоте fmm

К max = Л> max ^д/^Г (7) Где А0тах- длина болны в свободном пространстве на частоте fmin Из условия формирования однолучевого режима (без дифракционных максимумов) реализуемым шаг в плоской решетке должен быть меньше чем минимальная рабочая длина волны Для не

Рис 13

сканирующей системы должно быть fV<X0 п

(8)

Где Л$тп- длина болны в свободном пространстве на частоте

Так как ^ — '^тах из выражеия (6), (7) и (8) видно, что ширина раскрыва излучателя

Л)шт (9)

Для согласования щелевого излучателя в широкой полосе частот необходимо знать волновое сопротивление (р) щелевой, полосковой и микрополосковой линий Характеристики микрополосковых и щелевых полосковых линией значительной степени рассмотрены в литературе

Волновое сопротивление микрополосковой линии может быть рассчитываться по формуле 377А

Р —

■JsW^

1 + 1 735s

-0 0724,

(Ж/Л)"0 836]

[Ом]

или

188,5 Ш пл0,е-1 £ + 1

р = —¡¿-^— + 0 441 + 0 082—— +-

4с |2й £2 2ЖЕ

1 451 + 1п|-^- + 0 94

(10)

Волновое сопротивление ЩПЛ при 3 8<г, <9 8 и 0 0015 <0 075 можно расчитать по формуле

/7 = 73 6 - 2 15 ег +(6389-31 37 ег) (IV6+(36 23 -¡ег2 +41 -225)

№1(1+0 876 гтг-2

+0 51 (£,+2 12) (И7<0 1п(100 ¿/Ло)-

0 756 еГ (<//^о)

где \У - ширина щели, с! - толщина подложки, я0 - длина волны в свободном пространстве

Обший вид излучателя на основе симметричных щелевых линии,

запитываемый микрополосковой линией показана на рис 14 В настоящей работе в

\ качестве подложки использована подложка из

стеклотекстолита (£г=4) Существуют щелевые излучатели с разными формами Рис 14 расширяющейся щелью

Форма профиля излучающей щели существенно влияет на усиление, ширину главного максимума и уровень боковых лепестков в ДН и полосу щелевого излучателя В настоящей работе щелевый излучатель в данной работе имеет круговое сужение

Выбранные конструктивные параметры излучателя на основе симметричных щелевых линий, запитываемый микрополосковой линией (рис 14) приведены на таблице 2

Табл 2 - параметры щелевого излучателя (рис 14)

Параметр е. Цр 1-тп и и н К и wm ws W г

Величина (мм ) 4 15 4 4 47 и 22 5 17 5 2 05 20 1 01

Рис 15

Рис 16

На рис.15 и 16 приведены коэффициенты стоячей волны и коэффициент усиления щелевого излучателя в диапазоне соответственно, при этом КСВн меньше 2 в полосе от 8 ГГц до 16 ГГц. На рис.17 и рис.18 приведены диаграммы направленности в Е и Н-плоскостях на различных частотах рассматриваемого диапазона.

Рис.17 Рис.18

В этом излучателе(см. рис.14) возбуждающее устройство приводит к не симметрии луча. На рис.19 показана модификация первого

варианта щелевого излучателя.

Еш>-/кекщ)я.т«я

Рис.19

Двухсторонный щелевой

излучатель состоит из двух внешних слоев излучающих металлических поверхностей, на которых разрезаны возбуждающие и излучающие части щели (см. рис.3.11). При построении излучателя выбран закон изменения формы плеч по окружности радиуса Я. Эти щели возбуждаются с полосковой линией, расположенной в середине диэлектрической подложки.

Исследованы характеристики направленности двухстороннего излучателя в полосе от 6 ГГц до 16 ГГц. Выбранные конструктивные параметры излучателя (рис.19) приведены на таблице 3.

Таб.3

Параметр е, Ь Цр и и н Я \¥га Wsm,s XV и

Величина (мм.) 4 15 3.75 3 3.75 0 22.5 17 1.2 0.56 18.6 20 3 0.1

На рис.20 и 21 приведены коэффициенты стоячей волны и коэффициент усиления щелевого излучателя в диапазоне соответственно, при этом КСВн меньше 2 в полосе от 6 ГГц до 16 ГГц.

На рис.22 и рис.23 приведены диаграммы направленности в Е и Н-

плоскостях на различных частотах рассматриваемого диапазона

Рис 22

Рис 23

На рис 24 представлено перспективное изображение сбалансированного

двухстороннего излучателя Выбранные конструктивные параметры этого излучателя приведены на таблице 4 На рис 25 и 26 приведены коэффициенты стоячей волны и коэффициент усиления щелевого излучателя в диапазоне соответственно, при этом КСВн меньше 2 в полосе от 6 ГГц до 40 ГГц и более

Параметр Ег Ь, Л и ьь Ьш Ю 112 Ь А

Величина (мм ) 4 2 01 30 5 7 8 9 1,2 1,2 50 20 3

На рис 27 и рис 28 приведены диаграммы направленности этого излучателя в Е и Н-плоскостях на различных частотах

В третьем варианте (см рис 24) ДН несимметричны из-за несимметричной геометрии излучателя А это приведет не симметрии суммарной и разностной ДН моноимпульсного облучателя в Е_плоскости Проведенное сопоставление излучателей по всем параметрам позволяет определить наиболее оптимальный излучатель для

моноимпульсного облучателя, которым является двухсторонний щелевой излучатель

Рис 25

« 8 10 12 И 16

!0 2 24 26 28 X 32 5» Эв 38 <0 Чктот« ГГц_________

/

/

Рис 26

5 5 13 1 !

4X1, Гц

[ ~»~МГГц -*-М0ГГц М2ГГц •» М4ГГц * ЫбГГи |

0 •5 -»-«ГГц -в-ЫОГГи Н2ГГи * И4ГГц -"-М6ГГ«

Ю" :и :пг П I ИТ И I 1ГГ □ та уг Л С 1 г л г 1 г *4.и 1 1- X с т.Л.^ ллл I [I тп ЕС ПС

¿о* Л 3 Е Л с Л с 3 с л с I и

Л -1 4 -1 к Л Е -1 1Л С -1 и л ~ 4 й X ^ ЧА f г 4- Е

25 ■9 -1 4 -1 4 -1 4 =И -А -1 4 Л Е Л Т- Л л Л Е л ¡л л ¡Е 4 Л 4 Л 4 14 Г м Е Е Ё

-1 4 Ч -1 4 -1 4 Л -1 4* -1 + о -1 +■ Н £ э ч ч (0 6 Ч 1ч ь 0 9 № Л 11 РМ 4 14 Ь !0 1 ф Л 1Ю 2 4-+■ а 1 ч 0 270

Рис 27 Рис 28

В четвертой главе рассмотраны характеристики различных мостовых устройств для построения компараторной схемы моноимпульсной системы Предварительно рассчитенны ряд известных мостовых устройств в точки зрения получения работы в широкой полосе с необходимыми фазовыми отношениями для формирования разностных ДН

Шлейфный (квадратный) мост весьма узкополосен его рабочая полоса частот не превышает ± 5% по сравнению с ± 15% для гибридного кольца (кольцевая схема) Мостовые устройства на связанных линиях работают в широкой полосе Но наличие малых зазоров между проводниками снижает электрическую прочность моста Кроме того, при использовании в моноимпусной системе моствых устройств на связанных линиях нужны дополнительные линии задержки для получения разности фаз волн напряжения в выходных плечах моста <р = \Ш, так как у моствых устройств на связанных линиях разность фаз волн напряжения в выходных плечах <р = 90° При этом характеристики линии задержки тоже зависят от частоты

Для того чтобы преодолеть эти недостатки в настоящей работе предложены мостовые устройства для сверхширокополосной системы, основанные на микрополосковой, щелевой полосковой и копланарной

Рис 30 Конструкция полосково-щелевого моста

Сигнал, подаваемый на вход 2 делится пополам, и волны распространяются вдоль микрополосковой линии Эти волны оказываются синфазными на выходах 3 и 4 (рис 30) При возбуждении входа 1, волны распространяются вдоль щелевой полосковой линии и возбуждают плечи 3 и 4 противофазно

На рис (31) приведены зависимости коэффициента отражения от входа и коэффициентов передачи от частоты при использовании подложки (ЕБЬ 41020-25С ег = 9, к = 0 8мм) в полосе частот от 0 5 до 2 5ГГц На рис (32) показаны фазочастотные характеристики этого моста Во всех входах

моста КСВн<2 в полосе 1-18 ГГц Развязка между суммарным каналом (вход 2) и разностным каналом (вход 1) состовляет меньше -140 дБ в этой полосе При этом параметры моста составляют \Ут1=0 45 мм, \Ут2=2 4 мм, 1^=25 45 мм, АУб=0.75 мм, Ь=0 8 мм, 1=0 05 мм, е=9 (см Рис 30)Амплитудночастотные и фазочастотные характеристики полосково-щелевого моста в полосе частот от 2 до 18ГГц показаны на рисунке (33) и (34) соответственно При этом использована стеклотекстолитовая подложка [ \¥т1=1 0 мм, \Ут2=3 6 мм, Ьб=3 мм, >Уз=1 9 мм, Ь=1 0 мм, 1=0 2 мм, 6=4 ] Во всех входах моста КСВн<2 в полосе 5-15 ГГц

N-

к л- V я- I***

Z z г — : з — : ; -г*

li ■ 4S - >ва & У Е 1

2^ X - i'; Ё Ё Е Е

2 3 4 S t 7 I 9 10 11 II 13 И IS 16 17

2 J 4 S i 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1? 18

Рис 33 Рис 34

Предложенный полосково-щелевый мост имеет очень простую конструкцию, хорошую развязку по поляризации (при этом развязка между суммарном и разностном каналами состовляет меньше -140 дБ в полосе), близкий к идеальному 180° фазовый сдвиг между каналами для формирования разностной ДН и малые поперечные размеры, определяющиеся толщиной диэлектрической подложки Эти мосты можно создаваться с использованием печатной технологии

В пятой главе проведено электродинамическое моделирование широкополосного моноимпульсного облучателя из четырых двухсторонных щелевых излучателей

-г.бггц " f«erru —-f.ion-ц -»-гчггг» е >«иггц —— f.ierruj

* 6ГГц -*-<.6ГГц * t-lOrfu-»-f.lKfg f 14ГГи—16 гг

! 11! 1 ! 1 f ^ 1!! 1!! 11 1 1

'1 1 ЙДЖ 11 11 1 1»«

ff у, ur ТТ ¿L

\ ) 1 1 ;, i Р ■ Ж

ntU 1 1 1 1 1 1 1 1 11 11 i i Hi 11

1 1 1 1 1 1 1 1 11 11 i i 1 1 I 1 1

1 1 | ( 1 1 1 1 1 11 1 1 11 11 '1 1 1 j 1 1

30 0 Э0 60 » 120 ISO 1Ю 210 2«0 270

Рис 35 Рис 36

Представлены результаты исследования электродинамических характеристик излучающей части облучателя. Облучатель имеет КСВн меньше двух в полосе от бГГц до 16 ГГц при требуемом возбуждении,

который должен обеспечить схема возбуждения При этом шаг решетки в Е и Н-плоскостях ё=20 мм

На рис 35 и рис 36 показаны суммарные ДН облучателя в Е и Н-плоскостях соответственно, полученные при синфазном возбуждении (рг(в,ф) = [р[(в,ф) + р2{0,ф)]+[р3(6,ф) +Р4(в,ф)\) все четырех излучающих элементов облучателя Разностные ДН в Е

Г^Е{0,ф) = [р{{в,ф) + /^(Я,^)]-[р2(в,ф) + Р^{в,ф)\ (рис 37) и Н-плоскостях-

{О,Ф) = (в,ф) + (0,ф)}~(в,ф) + РА(0,ф)\ (рис 38) формируются при противофазном возбуждении

1111-11 - к^у/Ь

р ъУгНт

- - - -

1|Т 1 - г - Л Т 11 т

Г! 7 7 гК г VI- тНт

Г) 7 Т I"] ' Н ]■ 1 г "Г г т г[ т г т Н т 1- г

(-1 1- И т -1 г- -г г 1Нтг т Ч Г,1 г -

Н + н ч- 1н ь н Ь -+ Н| ■+ Ь + Н + +- -

г- -4- I—I -I- I— -

1В0 150 120 40 40

» 60 М 120 150 100

-Г 6ГТЦ-1 ВГГц-1 10ГГц-1 12ГГц-1-1*ГГц-1 1Ш~и

Рис 37 В Е-плоскости Рис 38 В Н-плоскости

Полученные результаты показали, что суммарные ДН моноимпульсного облучателя симмтричны и имеют почти одиноковые ширины в Е и Н-плоскостях При этом коэффициент усиления облучателя состовляет от 8 4 до 14дБ Кроме того разностные ДН имеют глубокие уровни нуля (больше чем -ЗОдБ)

В работе так же исследовано изменение фазового центра одиночного (рис 39) и самого облучателя (рис 40) При этом длина волны на средней частоте (Г=11ГГц) 10=27,27мм

Г V

-- --- _ у / "г1

- -

• к

Рис 39 Рис 40

Результаты показывают что, перемещение фазового центра моноимпульсного облучателя на высоких частотах рассмотриваемой полосы состовляет около X/4

Полагая фазовая ошибка Ду < л/4 и Лу < я/8 для линз (при этом искажения ДН заркальной и линзовой антенны будут незначительны),

допустимое смещение облучателя из фокуса вдоль оси (т е смещение фазового центра облучателя) составит

Ар<----(11)

8 О-соэ^о)

2Х¥0 - угол раскрыва зеркала и линз

Из (11) видно, что при 2Ч>0 = 120° допустимое смещение облучателя из фокуса вдоль оси составит Ар<Л/4 Поэтому выбирая угла раскрыва зеркала или линз, моноимпульсной облучатель может использоваться в этих антеннах

На схеме моноимпульсной антенной системы (рис 1) видно, что для того чтобы формировать суммарную и две разностные ДН нужно построить компараторную схему из четырех моста Конструктивное оформление суммарно-разностных каналов может быть иметь различные конструктивные испольнения При этом расчет будет включать нетолько излучатели и мости но и соединительные линии

На рис 41 показана один из вариантов построения схемы возбуждения из четырех полосково-щелевых мостов На рисуках (42 и 43) показаны амплитудночастотные и на рис 44 показаны фазочастотные характеристики этой

рис 4] компараторной схемы

1

I

ли

X

1 / V/ \ *»

• §• »

Рис 42 Графики зависимости Рис 43 -Графики зависимости коэффициентов

коэффициентов отражения от суммарного отражения от входов 5, 6, 7 и 8 и

(£) и разностных (ДЕ и АН) каналов и коэффициентов передачи компараторной схемы

коэффициентов передачи компараторной от частоты схемы

На рис 45 также показана один из возможных вариантов компоновки облучателя

22

I

Рис.44 Фазочастотные характеристики компараторной схемы

Рис.45 Моноимпульсный

облучатель

Заключение:

В работе получены следующие основные результаты

• Обзор и анализ литературы показал необходимость и бозможность построения широкополосных моноимпульсных антенных системах на современной элементной базе, и выявил ряд перспективных излучающих элементов и устройств возбуждения для построения широкополосных моноимпульсных облучателей.

• Представлено аналитические решения характерисктик направленности щелевых излучателей. Приведено сравнение теоретические результаты с экспериментальными результатами и с расчетными результатами с помощью пакета электродинамического моделирования (CST Microwave Studio). Рассмотрены фазовые характеристики щелевых излучателей и возможности использования этих излучателей в качестве излучающих элементов моноимпульсного облучателя.

• Рассмотрены три варианта конструкции щелевых излучателей, применительных к широкополосному моноимпульсному облучателю и с использованием метода параметрической оптимизации получены параметры излучателей, работающих в диапазоне 2,5:1 и более. Исследованы характеристики этих излучателей с помощью пакета электродинамического программирования (CST Microwave Studio) различных типов излучающих элементов на основе расширяющейся щелей.

• Предложены конструкции нового типа сверхширокополосных мостовых устройств для моноимпульсных атенных систем. Исследованы характеристики сверхширокополосных моноимпульсных мостовых устройств. Мосты имеют хорошую развязку по поляризации, малые массу и габаритные размеры и близкий к идеальному 180° фазовый сдвиг между каналами. Эти

мосты можно создаваться с использованием печатной технологии

• Рассмотрены схемы построения широкополосных моноимпульсных облучателей из выше исследованных излучателей и исследованы характеристики широкополосных моноимпульсных облучателей, работающей в диапазоне 2,5 1 и более Рассчитано изменение фазового центра облучателя в полосе Получены результаты, позволяющие создать моноимпульсный облучатель с перекрытием полосы 2,5 1 и более Предложены различные конструктивные испольнения компараторной схемы моноимпульсного облучателя и исследованы характеристики одного типа схемы Посмотрена компоновка моноимпульсного облучателя

• По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликованы в трех работ и обсуждены на 4 конференциях

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 "Моноимпульсные антенные системы (обзор работ)" Зо Мое

Аунг, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 3, 2007 г

2 "Моноимпульсные антенные системы", Зо Мое Аунг, Труды пятой молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь- перспективные технологии», Москва, 1516 марта 2007 г

3 "Моноимпульсные антенные системы", Зо Мое Аунг, Труды научно- технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Москва, 19 апреля 2007 г

4 "Широкополосный моноимпульсный облучатель" Зо Мое Аунг, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 12,2007 г

5 "Широкополосные мостовые устройства на основе микрополосковой и щелевой полосковых линий" Д И Воскресенский, Е В Овчинникова, Зо Мое Аунг, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 1, 2008 г

6 "Широкополосный моноимпульсный облучатель", Зо Мое Аунг, Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Москва, 21 апреля 2008 г

7 "Широкополосный полосково-щелевой мост", Зо Мое Аунг, Труды 4-ой международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008», Севастополь, Украина, 21-25 апреля 2008 г

Введение.

Глава МОНОИМПУЛЬСНЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ (обзор работ) . 12 1.

1.1 Моноимпульсные облучатели для зеркала, линз или 14 фазированных антенных решёток с пространственным способом возбуждения.

1.2 Моноимпульсные антенные решётки.

1.3 Методы оптимизации суммарной и разностных диаграмм направленности.

1.4 Выводы.

Глава ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ ЩЕЛЕВЫХ

2. ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.

2.1 Аналитическое решение характерисктик направленности 35 щелевого излучателя Вивальди.

2.2 Анализ характеристик направленности антенн на основе 44 симметричных щелевых линий с помощью метода моментов.

2.3 Тестовая задача.

2.4 Фазовая характеристика щелевого излучтеля.

2.5 Выводы.

Глава ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

3. ЩЕЛЕВЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ МОНОИМПУЛЬСНОГО

ОБЛУЧАТЕЛЯ.

3.1 Исследование, характеристик излучающих элементов облучателя.

3.2 Выводы.

Глава ШИРОКОПОЛОСНЫЕ МОСТОВЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ

4. МИКРОПОЛОСКОВОЙ И ЩЕЛЕВОЙ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ

4.1 Общие характеристики и типы мостовых устройств.

4.2 Мостовые устройства на связанных линиях с боковой связью

4.3 Полосково-щелевой мост.

4.4 Выводы.

Глава ШИРОКОПОЛОСНЫЙ МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ.

5.1 Конструкция моноимпульсного облучателя из четырех щелевых излучателей.

5.2 Исследование характеристик направленности широкополосного моноимпульсного облучателя.

5.3 Исследование фазовых характеристик моноимпульсного облучателя.

5.4 Исследование характеристики схемы возбуждения моноимпульсного облучателя.

5.5 Выводы.

Актуальность темы диссертации.

В основу построения современных радиосредств и систем связи, локации, пеленгации, радиоэлектронной борьбы, радиомониторинга, радиоконтроля и других технических приложений наиболее часто закладываются малогабаритность и сверхширокополосность в области антенн.

В последние годы в антенной технике возникла необходимость создания интегрированных антенных систем, обеспечивающих совместную работу различных радиосистем. Для совмещения различных функций радиосистем современная антенная система должна обеспечивать приемлемые характеристики направленности в широкой полосе.

Совмещение излучателей различных диапазонов в одной антенной системе приводит к ухудшению характеристик направленности антенной системы, работающей в одном диапазоне, из-за взаимодействия излучателей этого диапазона с излучателями других диапазонов. Кроме того этот подход приводит к увеличению стоимости и массогабаритных параметров антенной системы. Поэтому создание малогабаритных широкополосных излучателей является одним из наиболее важных направлений.

В настоящее время в радиолокационной технике для идентификации летательных аппаратов (ЛА) с очень малой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) стали интенсивно заниматься сверхширокополосными сигналами. В системах связи также стали использоваться сверширокополосные сигнали. В таких областях как пассивная радиопеленгация, отслеживание спутников, радиоастрономия, системы следящего углового измерения, спутниковая связь, некоторые оптические следящие системы, беспроводные компьютерные системы и т.д., в которых применяется автоматическое сопровождение целей, возникла необходимость создания моноимпульсных антенных систем, работающих в широкой полосе. В радиотехнических системах СВЧ диапазона применяются самые разнообразные типы антенн. Особое место среди них занимают так называемые антенны оптического типа. К ним относятся главным образом зеркальные и линзовые антенны. Важным элементом зеркальной и линзовой антенны является облучатель, многом определяющий характеристики всей антенной системы. Построение широкополосных моноимпульсных антенных систем связано с разработкой излучающего элемента и построением устройства возбуждения, обеспечивающих работу в широкой полосе.

Излучающий элемент широкополосного моноимпульсного облучателя должен обладать малыми массогабаритными параметрами и обеспечивать требуемое изменение характеристик направленности в рабочей полосе частот. Этим требованиям удовлетворяют излучатели на основе симметричных щелевых линий. Излучатель на основе симметричных щелевых линий (TSA- Tapered Slot Antenna) был предложен Льюисом [31] в 1974. Щелевый излучатель с экспоненциально расширяющейся щелью, называемый антенна «Вивальди» был предложен Gibson [32] в 1979 году.

Излучатели на основе симметричных щелевых линий (в том числе излучатель «Вивальди»), в отличие от других излучателей, обладают выигрышами в массогабаритных характеристиках, диапазонности и совместимость с микроволновыми интегральными схемами (MIC). Эти излучатели может выполняться как в металлическом (проволочном), так и в печатном исполнении.

Мосты, с которыми строятся компараторную схему моимпульсной системы, должны обладать широкой полосой. Для практической реализации моноимпульсного режима работы применяются мостовые устройства с фазовым соотношением между плечами моста 180°, обладающие малыми массогабаритными параметрами и обеспечивающими требуемое изменение рабочих характеристик в полосе частот. Мостами называются направленные ответвители (НО) с переходным ослаблением 3 дБ. Волны напряжений в выходных плечах моста обладают постоянным фазовым сдвигом в рабочем диапазоне частот. Направленные ответвители находят широкое применение в различных радиосистемах. Они используются при построении смесителей и переключателей, а также в качестве сумматоров и делителей в схемах сложения мощностей генераторов, в измерительной технике, в диаграммообразующих схемах антенн. Реализация различных коэффициентов связи позволяет строить на основе направленных ответвителей распределительную систему антенной решетки с неравномерным амплитудным распределением. Всё это представляет интерес, как с научной, так и с практической точки зрения.

Поэтому проектирование и создание широкополосного моноимпульсного облучателя для антенны является актуальной научно-технической задачей.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является электродинамическое моделирование моноимпульсного облучателя антенны в целях исследования характеристик излучения в суммарном и разностных каналах и согласования облучателя в широком частотном диапазоне.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе требует решения следующих основных задач:

-Анализировать литературу по тематике, связанной с различными моноимпульсными антенными системами и искать путь(возможности) построения широкополосного моноимпульсного облучателя.

-Выбрать тип излучателя для излучающей части облучателя и установить возможность использования выбранных излучателей в качестве излучающего элемента облучателя.

-Установить доставерность результатов, рассчитанных с помощью электродинамического моделирования.

-Исследовать характеристики выбранных излучателей в широком диапазоне частот.

-Исследовать характеристики широкополосного моноимпульсного облучателя из выбранных излучателей.

-Найти возможные варианты построения широкополосных мостовых устройств для компараторной схемы моноимпульсного облучателя и исследовать их характеристики в широкой полосе. Методы исследований.

Вычислительные методы электродинамического моделирования, методы теории антенн, численные методы математического анализа, системы электродинамического моделирования. Научная новизна работы заключается в следующем:

-Предложены и исследованы широкополосные мостовые устройства на микрополосковой и щелевой полосковой линиях.

-Проведено электродинамическое моделирование излучателей, применительных к широкополосному моноимпульсному облучателю антенн.

-Представлены результаты электродинамического моделирования моноимпульсного облучателя из четырых щелевых излучателей. Практическая значимость результатов работы. Проведенный электродинамический анализ и результаты показывают практическую возможность построения широкополосного моноимпульсного облучателя, работающего в полосе частот не менее 2.5:1. Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением расчетных характеристик излучателя с известными экспериментально измеренными и также подтверждается совпадением в частных случаях полученных теоретических характеристик с ранее известными результатами.

Основные положения, выносимые на защиту.

-Построение широкополосных мостовых устройств на основе микрополосковых и щелевых полосковых линий.

- Построение широкополосных излучателей на основе симметрично расширяющихся щелей для излучающей части моноимпульсного облучателя.

-Построение широкополосного моноимпульсного облучателя. Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на 4 конференциях:

1. "Моноимпульсные антенные системы", Зо Мое Аунг, Труды пятой молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь-перспективные технологии», Москва, 15-16 марта 2007 г.

2. "Моноимпульсные антенные системы", Зо Мое Аунг, Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Москва, 19 апреля 2007 г.

3. "Широкополосный полосково-щелевой мост", Зо Мое Аунг, Труды 4-ой международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008», Севастополь, Украина, 21-25 апреля 2008 г.

4. "Широкополосный моноимпульсный облучатель", Зо Мое Аунг, Труды научно-технической конференции молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Москва, 21 апреля 2008 г.

Публикации.

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликованы три статьи:

1. "Моноимпульсные антенные системы (обзор работ)". Зо Мое Аунг, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 3, 2007 г.

2. "Широкополосный моноимпульсный облучатель". Зо Мое Аунг, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 12, 2007 г. ,

3. "Широкополосные мостовые устройства на основе микрополосковой и щелевой полосковых линий". Д. И. Воскресенский, Е.В. Овчинникова, Зо Мое Аунг, Антенны, «РАДИОТЕХНИКА», № 1, 2008 г.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 130 машинописных страницах и состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованных источников. Иллюстративный материал представлен в виде 100 рисунков и 15 таблиц. Список использованных источников включает 77 наименований на 8 страницах.

5.5 Выводы

Выбран вариант двухстороннего щелевого излучающего элемента, наиболее соответствующий моноимпульсному облучателю.

Проведено исследование характеристик широкополосного моноимпульсного облучателя из четырых двухсторонных щелевых излучателей, выбранных в разделе (3), в полосе частот от 4ГГц до 16ГГц с шагом рещётки ёу=20 мм и ёг=20 мм.

Получены практически симметричные ДН и одинаковые ширины ДН моноимпульсного облучателя в Е и Н-плоскостях по всей полосе рабочих частот. Кроме того разностные ДН имеют глубокие уровни нулей (более -ЗОдБ). КСВн облучателя состовляет меньше двух в полосе от 6 ГГц до 16 ГГц. Коэффициент усиления состовил от 8.4 до 14 дБ в этой полосе.

Исследованы положения фазового центра одиночного двухстороннего щелевого излучателя и самого моноимпульсного облучателя в зависимости от частоты с помощью пакета электродинамического моделирования. Получено изменение фазового центра моноимпульсного облучателя не превышает А/4.

Рассмотраны различные конструктивные испольнения схемы возбуждения и самого моноимпульсного облучателя. Исследованы характеристики одного варианта отдельной схемы возбуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

В работе получены следующие основные результаты

1. Обзор и анализ литературы показал необходимость и возможность построения широкополосных моноимпульсных антенных системах на современной элементной базе, и выявил ряд перспективных излучающих элементов и устройств возбуждения для построения широкополосных моноимпульсных облучателей. В опубликованных работах рассмотрена оптимизация и синтез суммарной и разностных диаграмм направленности различными методами. Применение генетического алгоритма позволяет оптимизировать разностной диаграммы направленности линейных моноимпульсных антенных решёток.

2. Представлено аналитические решения характерисктик направленности щелевых излучателей. Приведено сравнение теоретические результаты с экспериментальными результатами и с расчетными результатами с помощью пакета электродинамического моделирования (CST Microwave Studio). Рассмотрены фазовые характеристики щелевых излучателей и возможности использования этих излучателей в качестве излучающих элементов моноимпульсного облучателя.

3. Рассмотрены три варианта конструкции щелевых излучателей, применительных к широкополосному моноимпульсному облучателю и с использованием метода параметрической оптимизации получены параметры излучателей, работающих в диапазоне 2,5:1 и более. Исследованы характеристики этих излучателей с помощью пакета электродинамического программирования (CST Microwave Studio) различных типов излучающих элементов на основе расширяющейся щелей.

4. Предложены конструкции нового типа сверхширокополосных мостовых устройств для моноимпульсных атенных систем. Исследованы характеристики сверхширокополосных моноимпульсных мостовых устройств. Мосты имеют хорошую развязку по поляризации, малые массу и габаритные размеры и близкий к идеальному 180° фазовый сдвиг между каналами. Эти мосты можно создаваться с использованием печатной технологии.

5. Рассмотрены схемы построения широкополосных моноимпульсных облучателей из выше исследованных излучателей и исследованы характеристики широкополосных моноимпульсных облучателей, работающей в диапазоне 2,5:1 и более. Рассчитано изменение фазового центра облучателя в полосе. Получены результаты, позволяющие создать моноимпульсный облучатель с перекрытием полосы 2,5:1 и более. Предложены различные конструктивные испольнения компараторной схемы моноимпульсного облучателя и исследованы характеристики одного типа схемы. Посмотрена компоновка моноимпульсного облучателя.

6. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликованы в трех работ и обсуждены на 4 конференциях.

1. Сканирующие антенные системы СВЧ. Перевод с ангийского под редакцией Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. - М.: Издательство «Советское Радио», 1966. - 536 е.: ил.

2. Введение в технику радиолокационных систем. М. Сколник. 1962.

3. Введение в моноимпульсную радиолокацию. Д. Р. Роде. 1960.

4. Расчёт антенны СВЧ (частьп). Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Под редакцией Д. И. Воскресенского. М.: 1973. - 127 е.: ил.

5. Samuel М. Sherman, "Monopulse Principles and techniques." ISBN: 089006-137-8.

6. S. F. George and A.S. Zamanokos, "Multiple-Target Resolution of Monopulse vs. Scanning Radars," Proc. National Electronic conf., 15, 1959, pp 814-823.

7. J. H. Dunn and D. D Howard, "Precision Tracking with Monopulse Radars", Electronics, April 22, 1960, pp 51-56.

8. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решёток/ под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2003. -632 е.: ил.

9. Kuan Min Lee and Ruey-Shi Chu, Design and analysis of a multimode feed horn for a monopulse feed. IEEE Transactions on antennas and propagation, 1988, vol. 36, no. 2, pp. 171-181.

10. Biao Du, Edward Kai-Ning Yung, Ke-Zhong Yang, and Wen-Jing Zhang. Wide-band linearly or circularly polarized monopulse tracking corrugated horn. IEEE Transactions on antennas and propagation, 2002, vol. 50, no. 2, pp. 192-197.

11. Nam San Wong, Raymond Tang and Earl E. Barber. A multielement high power monopulse feed with low sidelobe and high aperture efficiency. -IEEE Transactions on antennas and propagation, 1974, vol. AP-32, no. 3, pp. 402-407.

12. Curtis C. Ling and Gabriel M. Rebeiz. 94 GHz integrated horn monopulse antennas. IEEE Transactions on antennas and propagation, 1992, vol. 40, no. 8, pp. 981-984.

13. Ashok K. Agrawal and Walter E. Powell. Monopulse printed circuit dipole array. IEEE Transactions on antennas and propagation, 1986, vol. AP-34, no. 11, pp. 1288-1293.

14. Ashok K. Agrawal and Walter E. Powell. A printed circuit cylindrical array antenna. — IEEE Transactions on antennas and propagation, 1985, vol. AP-33, no. 11, pp. 1280-1283.

15. Naveed Ahsan and Jahangir Khan Kayani. Design of an X-band microstrip monopulse antenna for monopulse tracking radar. 2nd International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology, Bhurban, Pakistan, 16-21 June, 2003.

16. Hao Wang, Da-Gang Fang and X. G. Chen. A compact single layer monopulse microstrip antenna array. IEEE Transactions on antennas and propagation, 2006, vol. 54, no. 2, pp. 503-509.

17. Hiroaki Miyashita and Takashi Katagi. Radial line planar monopulse antenna. IEEE Transactions on antennas and propagation, 1996, vol. 44, no. 8, pp. 1158-1165.

18. K. C. Kelly and F.J. Goebels. Annular slot monopulse antenna arrays. -IEEE Transactions on antennas and propagation, 1964, pp. 391-403.

19. R. W. Bickmore, "Radiation Pattern Synthesis with Annular Slots," University of California, Berkeley, ERL Rept. no. 112, Series 60, pp. 1-13; May, 1954.

20. N. Marcuvitz, Ed., "Waveguide Handbook," McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, N. Y., pp. 95-96; 1951.

21. Manuel Sierra-Castaner, Manuel Sierra-Perez, Maria Vera-Isasa and Jose Luis Fernandez- Jambrina. Low-cost monopulse radial line slot antenna. -IEEE Transactions on antennas and propagation, 2003, vol. 51, no.2, pp. 256-263.

22. R. Price and R. F. Hyneman. Distribution functions for monopulse antenna difference patterns. IRE Transactions on antennas and propagation. November, 1960, pp. 567-576.

23. Peter W. Hannan. Maximum gain in monopulse difference mode. IRE Transactions on antennas and propagation. May, 1961, pp. 314-315.

24. Richard R. Kinsey. Monopulse difference slope and gain standards IRE Transactions on antennas and propagation. May, 1962, pp. 343-344.

25. Robert J. Stegen. The null depth of a monopulse tracking antenna. IEEE Transactions on antennas and propagation. September, 1964, pp. 645-646.

26. Авионика 2002-2004. Сб. статей / Под ред. А. И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2005. - 560 е.: ил. (Серия «Авионика»),

27. Andrea Massa, Matteo Pastorino and Andrea Randazzo. Optimization of the directivity of a monopulse antenna with a subarray weighting by a hybrid differential evolution method. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2006, vol. 5, pp. 155-158.

28. Воскресенский Д. И., Котов Ю. В., Овчиникова Е. В. Тенденции развития широкополосных фазированных антенных решёток (обзор работ). Антенны, выпуск 11 (102), 2005 г.

29. Lewis, L., R., Fasset. М., Hunt, J., "A Broadband Stripline Array Element IEEE Symp. Antennas and Propagation, Atlanta, USA, 1974, Pp. 335-337.

30. Gibson P. J. "The Vivaldi AeriaF. 9-th Europ Microwave Conf., Brighton, U.K., 1979. -Pp.101-105.

31. Prasad S.N. and Mahapatra S., "A Novel MIC Slot Line AeriaF, Proc. 9-the Europ Microwave Conf., Brighton, U.K., 1979. Pp. 120-124.

32. Thungren Т., Kolberg E.L., Yngvesson K.S. "Vivaldi Antennas for Single Beam Integrate Receivers". 12-th Europe Microwave Conference, Helsinki, 1982. -Pp.361-366.

33. Ehud Gazit, "Improved Design of the Vivaldi AntennaIEE Proceedings, Vol. 135, No. 2, April 1988.

34. Yngvesson K.S., Korzeniowski T.L., Young-Sik Kim, Kollberg E.L. and Johansson J.F., "The Tapered Slot Antenna — a New Integrated Element for Millimeter-Wave Application". IEEE Trans. Microwave and Techniques, Vol .37, No.2, Feb. 1989, Pp.365-374.

35. Schaubert, D., H., "Endfire Slotline Antenna", Int. Conf. JINA'90, 13-15 November 1990, Pp. 253-264.

36. Langley J.D., Hall P.S., and Newham P., "Balanced Antipodal Vivaldi Antennas for Wide Band Phased Arrays". IEE Proc. Antennas Propag., Vol. 143, No.2, April 1996, Pp.97-102.

37. Hung Loui, Jan Peeters, Zoya Popovic, "A Dual-Band Dual-Polarized Nested Vivaldi Slot Array With Multilevel Ground Plane", IEEE Trans Antennas and Propagation, Vol.51, No.9, September 2003, Pp. 2168-2175.

38. Lee R.Q., "Notch Antennas, National Aeronautics and Space AdministrationGlen research center, Cleveland, Ohio 44135, 2004.

39. Коротковолновые антенны/ Г. 3. Айзенберг, С. П. Белоусов, Э. М. Журбенко и др.; Под ред. Г. 3. Айзенберга. -2-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1985. - 536 е., ил.

40. Janaswamy, R.; Schaubert, D. H.; Pozar, D. M., "Analysis of the transverse electromagnetic mode linearly tapered slot antenna", Radio Science (ISSN 0048-6604), vol. 21, Sept.-Oct. 1986, Pp. 797 804.

41. Janaswamy R., and Shaubert D.H., "Analysis of the Tapered Slot Antenna". IEEE Trans Antennas and Propagation, Vol. AP-35, No.9, Sept. 1987, Pp. 1058-1064.

42. Janaswamy R., 'An Accurate Moment Method Model of the Tapered Slot Antenna". IEEE Trans Antennas and Propagation, Vol. 37, No. 12, Dec. 1989, Pp. 1523-1527.

43. Acharya P.R., Ecstrôm H., Gearhart S.S., Jacobsson S., Johansson J.F., Kollberg E.L., and Rebeiz G.M., "Tapered Slotline Antennas at 802 GHz". IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 41, Oct. 1993, Pp. 1715-1719.

44. Lukes Z., Raida Z., "Analysis of Vivaldi Antenna with Method of Moments in Matlab", Dept. of Radio Electronics, Brno University of technology Purkinova 118, 612 00 Brno, Czech Republic.

45. Stockbroeckx, В.; Vander Vorst, A., "Electromagnetic modes in conical transmission lines withapplication to the linearly tapered slot antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 48, Issue 3, Mar 2000, Pp. 447-455.

46. Сазонов Д. M. Антенны и устройства СВЧ: Учеб для радиотехнич. спец. вузов. -М.: Высш. шк., 1988. -432 е.: ил.

47. Y. Т. Lo, S. W. Lee, Ed., "Antenna Handbook", volume-2, CHAPMAN & HALL Book Co., New York, N. Y., pp. 8-73 8-77; 1993.50.www.astron.nl.

48. An approach to the determination of the phase center of Vivaldi-based UWB antenna. Qun Wu; Bo-shi Jin; Li Bian; Yu-ming Wu; Le-Wei Li; Antennas and Propagation Society International Symposium 2006, IEEE.

49. Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д., Гринев А.Ю., Котов Ю.В., "Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ\ Москва, Радио и связь, 1988, Глава 2.

50. Устройства СВЧ. Учебное пособие для вузов/ Под ред. Д.М. Сазонова.-М.: Высшая школа, 1981.

51. Wheeler Н. A. Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet. IEEE Trans. 1965, v. MTT-13 N 3, p. 172 - 185.

52. KOH С. Б.: Экранированная связанная полосковая линия. В кн.: Полосковые системы свервысоких частот: Пер. С англ./ Под ред. В. И. Сушкевича. - М.: ИЛ, 1959.

53. RJanaswamy and D.H. Shaubert. Characteristic Impedance of a Wide Slotline on Low-Permittivity Substrates. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. MTT-34, NO. 8, AUGUST 1986.

54. Wadell, "Transmission Line Design Handbook," Artech House, 1991.

55. Малорацкий Л.Г., Явич JI.P. Проектирование и расчет СВЧ элементов на полосковых линиях. М.: Советское радио, 1972.

56. С.И. Баскаков. Электродинамика и распространение радиоволн. Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». М.: Высш. шк., 1992.

57. R.Q. Lee and R.N. Simons, "Effect of Curvature on Tapered Slot Antennas," Antennas and Propagation Society International Symposium, 1996, AP-S. Digest, Vol.1, pp. 188-191.

58. Техническая электродинамика. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Под ред. Ю.В. Пименова: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 2000.

59. Антенны и устройства СВЧ/ Д.И. Воскресенский, B.JI. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев: Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: МАИ, 1999.

60. Малорацкий Л.Г., Черне Х.И. Направленный ответвитель на связанных линиях с несогласованными нагрузками. Известия вузов, Радиоэлектроника, 1970, №3.

61. Фельдштейн А.Л. Синтез ступенчатых направленных ответвителей. Радиотехника и электроника, 1961, т.6, №2.

62. Янг Л. Аналитическая эквивалентность направленных ответвителей, работающих в режиме колебаний вида ТЕМ, и фильтров на передающей линии со ступенчатым изменением волнового сопротивления. Зарубежная радиоэлектроника, 1964, №2.

63. Levy R. General synthesis of asymmetric multi-element coupled transmission-line directional couplers. Trans. IRE, 1963, v. MTT-11, №7.

64. Cristal E.G., Young L. Theory and tables of optimum symmetrical TEM-mode coupled transmission line directional couplers. Trans. IEEE, 1965, v. MTT-13, №5.

65. Richardson Т.К. Graphical design of strip-line directional couplers. Microwaves, 1967, v.6, №10.

66. Gerst C.W., Paciorek L.J. Strip line microwave integrated circuits. The microwave journal, 1969, №5.

67. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование ФАР. Учебное пособие для вузов /Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, B.C. Филиппов и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. 3-е изд., доп. и перераб. -М.: Радиотехника, 2003.

68. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. -М.: Высшая школа, 1981.

69. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982.

70. Кац Б.М., Мещанов В.П., Фельдштейн A.JI. Оптимальный синтез устройств СВЧ с Т-волнами М.: Радио и связь, 1984.

71. Вольман В.И.,Пименов Ю.В. Техническая электролинамика. М.: Связь, 1971.

72. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. -М.: Радио и связь, 1990.

73. Ковалев И.С. Прикладная электродинамика. — Минск: Наука и техника, 1978.77.3елкин Е. Г., Петрова Р. А. Линзовые антенны. М., «Сов. радио», 1974, 280 с.