автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Синтез криволинейных щелевых антенн с оптимальными диаграммами направленности для радиотехнических систем летательных аппаратов и других подвижных объектов

Введение.

1. Решение внешней задачи синтеза криволинейных щелевых антенн с оптимальными диаграммами направленности.

1.1. Об интегральных уравнениях внешней задачи синтеза.

1.2. Решение внешней задачи синтеза оптимальных диаграммам направленности для кольцевого и эллиптического щелевых излучателей.

2. Об интегральных уравнениях для решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн.

2.1. Интегральные соотношения для определения функции возбуждения щелевых антенн.

2.2. О свойствах функции возбуждения щелевых антенн.

2.3. Интегральные уравнения щелевых антенн, расположенных на цилиндрических поверхностях летательных аппаратов и других подвижных объектов.

2.4. Оценка погрешностей при решении задачи синтеза щелевых антенн в полной форме.

3. Решение внутренней задачи синтеза криволинейных щелевых антенн методами теории некорректно поставленных задач математической физики с помощью замены непрерывной функции возбуждения дискретными источниками в виде системы симметричных полосковых линий.

3.1. Замена непрерывной функции возбуждения системой дискретных источников с помощью системы симметричных полосковых линий.

3.2. Расчет дискретных функций возбуждения конкретных типов криволинейных щелевых антенн.

4. Метод решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн, удобный для инженерной практики.

4.1. О приближенном дифференциальном уравнении Я.Н. Фельда и его применении для решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн.

4.2. Решение внутренней задачи синтеза полосковых щелевых антенн с реальными распределениями токов в полосковых линиях.

5. Применение метода нелинейного программирования для решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн.

5.1. Аппарат нелинейного программирования.

5.2. Постановка и решение внутренней задачи синтеза щелевых антенн методом квадратичного программирования.

Обширный круг задач, выдвигаемый наукой" и техникой перед разработчиками радиотехнических систем, приводит к необходимости создания для них антенн со специальными характеристиками. Размещение антенны на летательных аппаратах и других подвижных объектах определяет её основные характеристики, а защита от внешних воздействий приводит к необходимости применения укрытий, обтекателей, защитных покрытий и т.д. [1].

Антенны с печатными, например, щелевыми излучателями имеют невыступающую конструкцию,' поэтому используются для высокоскоростных летательных аппаратов, а также для других подвижных объектов. Они работают в микроволновом диапазоне, хорошо вписываются в поверхность объекта и могут иметь различные по форме слабонаправленные характеристики излучения.

Теория щелевых антенн и их расчет изучены в работах Я.Н. Фельда, А.А. Пистолькорса, М.А. Леонтовича, М Л. Левина, Г.Т. Маркова, Е.Н. Васильева, Л.Д. Бахраха, С.Д. Кремененцкого, Д.Ц. Воскресенского, И.Б. Левинсона, П.Ш. Фридберга, Ю.Ю. Радцига, С.И. Эминова, О.Ш. Даутова, М.А. Туишева, Ю.Е. Седельникова, и многих других отечественных ученых. Здесь не приводятся труды зарубежных специалистов. Подробный обзор их можно найти в [2,3].

Построение антенн по заданным требованиям к диаграмме направленности, т.е. синтез антенн, является основной задачей при проектировании антенн. Задача синтеза щелевых антенн по заданной диаграмме направленности решается, в основном приближенно, с учетом определенных требований к диаграмме направленности, коэффициенту направленного действия, амплитудно-фазовому распределению (АФР) напряжения в щели. Затем по найденному АФР напряжения определяется с той или иной точностью функция возбуждения, т.е. источники. Теория синтеза антенных систем обычно рассматривает независимо две отдельные задачи: внешнюю - задачу синтеза диаграммы направленности и внутреннюю - задачу синтеза АФР напряжения в щели [1].

Внешняя задача синтеза достаточно хорошо исследована, в основном, трудами отечественных ученых: А.А. Пистолькорсом, Л.Д. Бахрахом, С.Д. Кременецким, Е.Г. Зелкиным, В.Г. Яковлевым, Д.М. Сазоновым, Л.Б. Тартаковским, А.В. Чечкиным, их учениками и многими другими. Отметим также работы зарубежных авторов: П. Вудворда, К. Вольфа, Г. Рибли, Д. Родса, Т. Тейлора, Д. Вольфа, Г. Унца и многих других.

В данной работе рассмотрены, в основном слабонаправленные антенны, применительно к радиотехническим системам (РТС) на летательных аппаратах. Основные характеристики РТС, принципы их расчета, в том числе расчета их отдельных узлов и характеристик подробно изложены, например, в [4-6]. Однако для получения требуемых параметров рассчитанной системы, например дальности действия, многое зависит от параметров антенны, установленной на объекте. При этом для осуществления, например, равнодальностной работы антенн РТС, т.е. оптимального равномерного распределения излучаемой мощности в пространстве, её диаграмма направленности должна соответствовать эффективной поверхности рассеяния объекта. Это для антенн-ответчиков РТС (связи, телеметрии, передачи специальной информации и др.), при наличии запросного сигнала абонента. Для самолетов и космических аппаратов их эффективная поверхность рассеяния имеет форму близкую к эллипсу [7]. Поэтому и диаграммы направленности антенны, для указанного выше случая, должны иметь эллиптическую форму, чтобы обеспечить равномерную дальность работы в окружающем прос транстве. Такие диаграммы направленности будем называть оптимальными. В работе рассматриваются задачи синтеза эллиптических диаграмм направленности для кольцевых и эллиптических полосковых щелевых антенн, а также синтез однолепестковых диаграмм для этих антенн при их установке на объекте, обозревающих четыре сектора пространства для обеспечения в общем равномерного обзора. Такие щелевые антенны в полосковом исполнении имеют компактную конструкцию, удобно размещаемую на объекте. А эллиптические антенны особенно удобны для размещения на цилиндрических и сферических объектах малого радиуса (небольших беспилотных летательных аппаратах, спутниках и др.). Антенны покрываются термостойкими диэлектрическими обтекателями. Теория учета действия обтекателя на характеристики антенн подробно рассмотрена в работах [8,9]. В данном исследовании влияние обтекателя не учитывается, но предполагается, что это будет рассмотрено в дальнейшем при разработке конкретных антенных систем. Важно отметить, что рассмотренные слабонаправленные щелевые антенны могут работать не только как самостоятельные излучатели, но и как элементы фазированных антенных решеток самого широкого применения. При этом важно, что рассмотренные щелевые излучатели более широкополосны, чем обычные элементы фазированных антенных решеток. Это решит многие современные практические задачи для различных радиоэлектронных систем.

Основное внимание в нашей работе уделяется рассмотрению внутренней задачи синтеза и методов её решения для щелевых антенн. Эта задача практически мало изучена. Её постановка и очень приближенные методы решения предложены в докторской диссертации Ю.Ю. Радцига [2] и некоторых его учеников. Там предлагалось возбуждать щели системой симметричных полосковых линий дискретно в ряде точек. Однако распределение токов в полосках не учитывалось, а в местах подключения источники считались как 5-функция [2]. Кроме того, исследовались только интегральные соотношения для щелевых антенн на плоской поверхности. А для распространенных на практике цилиндрических поверхностей не рассматривались. В работе не рассматриваются вопросы расчета входных проводимостей щелей в точках возбуждения антенн. Такая задача для одной полосковой линии, возбуждающей щель, рассмотрена в [10].

Поэтому данная работа ставит главной своей целью создание инженерных методов решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн, возбуждаемых системой полосковых линий с учетом реального распределения тока в полосках, а также определение допустимой погрешности её решения с учетом известных погрешностей решения внешней задачи.

В работе предлагаются новые приближенные методы решения внутренней задачи, удобные для инженерной практики, а также новый более строгий метод ее решения на основе нелинейного программирования. Рассмотрено также получение интегрального уравнения для решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн, расположенных на цилиндрической поверхности объекта.

В данной работе исследуются методы расчета как для реально созданных и работающих щелевых антенн на летательных аппаратах и других подвижных объектах, так и антенн, пока еще не исполненных конструктивно.

Отметим также, что решение внутренней задачи синтеза по заданному распределению напряжения в щели предложенными методами может применяться и для щелей с покрытиями. Вывод необходимых интегральных уравнений для учета покрытий можно найти в работах [8,9]. Но для первоначального расчета, необходимого в инженерной работе влияние покрытия не учитывается.

В диссертации рассмотрен расчет реальных схем дискретного возбуждения только щелевых антенн с системой симметричных полосковых линий. Реальные щелевые антенны, возбуждаемые системой симметричных полосковых линий и устанавливаемые на объекты, имеют внешнюю пластину, совмещенную с корпусом объекта, а вместо внутренней конструктивно выполнен отражатель (резонатор), влияние которого и имеющихся внутри конструктивных штырей приближенно рассчитывается по методикам, изложенным в работах [2,11].

Однако все эти конструктивные изменения в антеннах лишь дополняют основу первичного инженерного решения внутренней задачи синтеза, рассмотренного в этой работе. А при реальном создании антенн и особенно при их установке на объект всегда требуется практическая доводка.

Все методы, рассмотренные ниже предлагаются для модифицированных интегральных уравнений тонких щелей (d«l, d«A,, где d - ширина, 1 - длина щели, X - длина волны), полученных на основе исследований Я.Н. Фельда [12]. Более строгие интегральные уравнения, полученные в последние годы в работах Ю.Ю. Радцига и С.И. Эминова [9], которые применялись пока только для решения задач анализа новым численно-аналитическим методом здесь не рассматриваются, но в дальнейшем предполагается рассмотрение их и для решения внутренней задачи синтеза.

Таким образом, представляются актуальными следующие задачи:

1) Разработка методов синтеза оптимальных криволинейных щелевых антенн для радиотехнических комплексов.

2) Постановка задачи внутреннего синтеза щелевых антенн, возбуждаемых системой симметричных полосковых линий с учетом реального распределения токов. Вывод интегрального уравнения антенн на цилиндрической поверхности.

3) Исследование свойств непрерывной функции возбуждения антенн и замена её системой дискре тных источников.

4) Разработка приближенных инженерных методов решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн на основе дифференциального уравнения Я.Н. Фельда.

5) Разработка на основе дифференциального уравнения Я.Н. Фельда параметрического метода решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн с помощью нелинейного программирования.

При решении задачи синтеза проведено сравнение расчетных данных с экспериментальными, полученными для конкретных щелевых антенн.

В первой главе рассматривается решение внешней задачи синтеза для кольцевых и эллиптических щелевых антенн с эллиптической и однолепестковой диаграммами направленности.

Во второй главе рассматриваются уравнения для решения внутренней задачи синтеза таких антенн. Основное внимание уделяется приближенным уравнениям с регулярным ядром, удобным для инженерной практики. Выводятся уравнения для щелевых антенн, расположенных на цилиндрической поверхности объекта. Изучаются свойства функции возбуждения щелевых антенн, и впервые дается оценка погрешностей при решении всей (внешней и внутренней) задачи синтеза в целом.

В третьей главе рассматриваются способы замены непрерывной функции возбуждения системой дискретных источников с помощью различных квадратурных формул. Решается внутренняя задача синтеза щелевых антенн при возбуждении с помощью системы дискретных источников в виде симметричных полосковых линий с реальным распределением токов.

Четвертая глава посвящена разработке другого приближенного метода решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн на основе дифференциального уравнения Я.Н. Фельда, удобного в инженерной практике, с учетом реального распределения токов. Рассматриваются расчеты некоторых антенн и проводится сравнение этого метода с предыдущим.

В пятой главе на основе дифференциального уравнения Я.Н. Фельда предлагается новый более точный параметрический метод решения внутренней задачи синтеза с помощью нелинейного программирования. Этот приближенный метод может использоваться как начальное приближение в любой вариационной задаче.

10

Все расчеты выполнены с помощью универсальной математической системы Mathcad 2001 Professional.

Результаты проведенных исследований используются в разработках НовГУ им. Ярослава Мудрого, ЛИИ им. М.М. Громова, ПО «Квант» для научных исследований и прикладного проектирования.

В заключении приводятся основные выводы работы по решению рассмотренной задачи синтеза применительно к реальным щелевым антеннам радиотехнических систем летательных аппаратов и других подвижных объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Получено решение внешней задачи синтеза для тонких криволинейных щелевых антенн с оптимальными диаграммами направленности для специальных радиотехнических систем.

2. Разработаны приближенные методы реализации внутренней задачи синтеза с помощью системы симметричных полосковых линий с учетом реального распределения возбуждающего тока в полосках.

3. Изучены свойства интегрального оператора внутренней задачи синтеза щелевых антенн и получены выражения этого оператора для цилиндрических поверхностей.

4. Впервые получены полные оценки погрешностей при приближенном решении всей задачи синтеза (внешней и внутренней) щелевых антенн.

5. Впервые разработаны приближенные методы решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн с учетом реального распределения возбуждающих токов в симметричных полосковых линиях на основе дифференциального уравнения Я.Н Фельда (метод квадратур наивысшей степени точности и метод нелинейного программирования).

6. Сравнение полученных в работе расчетных и имеющихся экспериментальных данных для щелевых антенн летательных аппаратов и других подвижных объектов свидетельствует о достаточной для инженерной практики точности предлагаемых методов синтеза.

7. Разработанные методы синтеза могут использоваться при создании новых типов щелевых антенн со слабонаправленными диаграммами, таких как сканирующих однолепестковых сложной формы, с изменяющейся формой во времени, с вращающейся поляризацией поля излучения, изменяющих поляризацию и др., для радиотехнических систем летательных аппаратов и других подвижных объектов.

1. Проблемы антенной техники / Под ред. Бахраха Л.Д., Воскресенского Д.И. М.; Радио и связь, 1989 - 386с.

2. Радциг Ю.Ю. Дис. . д-ра тех. наук, Казань, 1972, 332с.

3. Радциг Ю.Ю. Теория щелевых антенн. // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, М.; 1962, с. 46-48.

4. Дымова А.И. и др. Радиотехнические системы. М., Сов. радио, 1980,Л430с.

5. Казаринов Ю.И., Коломенский Ю.А., Пестов Ю.К. Радиотехнические системы. М., Сов. радио,Л980, 420с.

6. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Методы аналитического выражения радиосигналов радиосистем. М., высшая школа, 1977.

7. Стахов Е.А. Дис. .канд-татех. наук, 1968.

8. Радциг Ю.Ю., Туишев М.А. Исследования характеристик слабонаправленных резонаторно-щелевых антенн с учетом покрытий. ВИНИТИ, N 3619-В86, Новгород 1986, 23с.

9. Радциг Ю.Ю., Эминов С.И. Теория щелевых излучателей, ч.1, Новгород 1986.

10. Радциг Ю.Ю., Седельников Ю.Е. Расчет входной проводимости щелевого излучателя, возбуждаемого симметричными полосковыми линиями. // Устройства, элементы и методы комплексной микроминиатюризации РЭА, Межвузовский сборник, Казань, 1980.

11. Радциг Ю.Ю., Воробьев Н.Г. Авторское свидетельство N46155 от 17.04.1969.

12. Фельд Я.Н. Основы теории щелевых антенн, М.; Сов радио, 1948,160с.

13. Сазонов Д М. Антенны и устройства СВЧ, М.; Высшая школа, 1988,432с.

14. Радциг Ю.Ю., Носов С.А., Хаванова М.А. и др. Сокращение размеров полигона антенных измерений снижение себестоимости антенны. // Наука производству, Москва, 2000, N8, с. 8-11.

15. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем. М.; Сов. радио, 1974.

16. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности. М.-Л.; Энергоиздат, 1963.

17. Радциг Ю.Ю., Плющев Ю.В. Выбор параметра регуляризации и оценка погрешности в задаче синтеза антенн. В сб.: Микроэлектроника, вып.7, КАИ, 1972.

18. Смирнов В.И. Курс высшей математики, Т. 5, ГИФМЛ, 1959.

19. Захаров Е.В., Пименов Ю.В. Численный анализ дифракции радиоволн, М.; Радио и связь, 1982.

20. Радциг Ю.Ю. и др. Авторское свидетельство N46155 от 5.05.68г.

21. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны, М.; Энергия, 1975.

22. Хаванова М.А., Мойсеенко Н.П. Компьютерное моделирование криволинейных щелевых антенн, // Деп. в ВИНИТИ от 11.09.01, N1947-В2001, 12с.

23. Радциг Ю.Ю. и др. Авторское свидетельство N64655 от 3.08.72г.

24. Радциг Ю.Ю. и др. Авторское свидетельство N324007 от 13.07.71г.

25. Радциг Ю.Ю. и др. Авторское свидетельство N990045 от 14.09.82г.

26. Радциг 10.Ю., Хаванова М.А., Мойсеенко Н.П. Математическое моделирование задачи синтеза слабонаправленных щелевых антенн для летательных аппаратов. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Самара, 2001, том 4, N3, с. 27-29.

27. Тихонов А.Н., Иванов В.К., Лаврентьев М.М. Некорректно-поставленные задачи. В сб.: Диф. уравнения с частными производными. М.; Наука, 1970.

28. Фридберг П.Ш. Электромагнитная связь двух объемов через узкую щель. // Первая Всесоюзная школа-семинар по дифракции и распространению волн. Тексты лекций. Москва-Харьков, 1968, с.359-392.

29. Радциг Ю.Ю. Об интегральном уравнении щелевых антенн. В сб.: Микроэлектроника, вып. 5, КАИ, 1971.

30. Хаванова М.А. О свойствах функции возбуждения щелевых антенн. // Деп. в ВИНИТИ 25.06.99.- N2041.-B99.-6c.

31. Левинсон Б.И., Фел С.С., Фридберг П.Ш. / Доклад АН СССР, 1963, т. 153, N2, с. 310.

32. Радциг Ю.Ю., Эминов С.И. Об уравнениях теории щелевых антенн в криволинейных координатах, ВИНИТИ, 1988-14с.

33. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны, М.; Радио и связь, 1988.

34. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т.З М.; Наука, 1974.

35. Хаванова М.А. Об интегральном уравнении для щелевых антенн, расположенных на цилиндрических поверхностях летательных аппаратов. // Деп. в ВИНИТИ 31.08.99,- N2750 -В99.-7с.

36. Радциг Ю.Ю., Хаванова М.А. Слабонаправленные щелевые антенны на цилиндрической поверхности. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Самара, 2000, том 3, N1, с. 47-49.

37. Акульшин И.П., Даутов О.Ш., Радциг Ю.Ю., Стахова Н.Е. Электродинамический расчет цилиндрической полосковой линии. // Микроэлектроника, 1973, вып. 8, с. 146-151.

38. Иванов В.К. О равномерной регуляризации неустойчивых задач. // Сибирский математический журнал, т. 7, N3. 1966.

39. Радциг Ю.Ю., Скачков В.А., Воробьев Н.Г., Плющев Ю.В. О решении задачи синтеза амплитудно-фазового распределения поля визлучателях, возбуждаемых симметричными полосковыми линиями. В сб.: Микроэлектроника, КАИ, вып. 6, 1971.

40. Радциг Ю.Ю., Хаванова М.А. Об оценке точности решения задачи синтеза амплитудно-фазового распределения напряжения в щелевых излучателях, возбуждаемых полосковыми линиями. // Деп. в ВИНИТИ 04.06.99.-N1785-B99.-7c.

41. Кременецкий С.Д., Радциг Ю.Ю., Скачков В.А. Теория и практика синтеза плоских криволинейных излучателей. // Радиотехника и электроника, т. 15, N 10, 1970.

42. Радциг Ю.Ю., Моисеенко Н.П., Хаванова М.А. Синтез щелевых антенн. Вестник НовГУ, Internat, N1, 1999.

43. Радциг Ю.Ю., Хаванова М.А. О методах решения задачи синтеза щелевых антенн. // III Международная конференция по теории и технике антенн. Тез. докладов. Севастополь, 8-11 сентября 1999г.

44. Радциг Ю.Ю., Хаванова М.А. Построение щелевых антенн летательных аппаратов. // Наука производству, Москва, 2000, с. 37-38.

45. Радциг Ю.Ю. О решении задачи реализации амплитудно-фазового распределения поля в линейных антеннах и миниатюризация щелевых излучающих устройств СВЧ. В сб.: Микроэлектроника, вып.4, КАЛ, 1969.

46. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений, т.1, М.; Наука, 1966.

47. Радциг Ю.Ю., Извекова Ю.А., Плющев Ю.В. // Тезисы докладов Всесоюзной научной сессии НТОРЭС им. А С. Попова, М.; 1974, с.5.

48. Шварц JI. Математические методы для физических наук. М.; Наука, 1961-420с.

49. Радциг Ю.Ю., Хаванова М.А., Моисеенко Н.П. О решении задачи синтеза микрополосковых щелевых излучателей. // VI Международная научно-техническая конференция "Электродинамики и техника СВЧ и КВЧ". Тез. докладов. Самара, 13-19 сентября 2000г. с. 24.