автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Сверхширокополосные линзовые антенны с коммутационным сканированием в азимутальной плоскости

На правах рукописи

ФЁДОРОВ Сергей Михайлович

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ С КОММУТАЦИОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ В АЗИМУТАЛЬНОЙ

ПЛОСКОСТИ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их

технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 АВГ 2013

Воронеж-2013

005531808

005531808

Работа выполнена в ФГБОУ ВГТО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель: Пастернак Юрий Геннадьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры радиоэлектронных устройств и систем

Официальные оппоненты: Климов Александр Иванович,

доктор технических наук, доцент, ФГКОУ ВПО «Воронежский институт МВД России», профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий

Усков Григорий Константинович,

кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», доцент кафедры электроники

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж)

Защита состоится 19 сентября 2013 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж. Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «¿2» '.СНРиСЯ^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров О. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время антенные устройства, способные формировать множество диаграмм направленности, широко используются в системах мобильной коммуникации, радиоастрономии, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, системах космической связи. В качестве таких многолучевых антенн часто используют многолучевые фазированные антенные решетки (ФАР) и многолучевые линзовые антенны. Наряду с электронным сканированием для изменения пространственной ориентации главного лепестка может использоваться устройство, осуществляющее механический поворот антенны с высокой направленностью (например, зеркальной или линзовой антенны) или ее облучателя. Механические способы управления направленностью излучения имеют очевидные недостатки - малая скорость сканирования и низкая надежность.

ФАР обладают высокой скоростью изменения диаграммы направленности, однако их полоса рабочих частот и секторы сканирования ограничены. Существенными недостатками ФАР являются их конструктивная сложность, сложность управления, а также - высокая стоимость.

Классическая сферическая линза Люнеберга также является достаточно сложной и дорогой в производстве антенной (по данным производителя линз Люнеберга компании Matsing (сайт http://www.matsing.com/). стоимость многолучевой антенной решетки (MAP) диапазона от 1 до 10 ГГц с линзой Люнеберга диаметром 600 мм составляет около 60000$).

Поэтому актуальным является разработка и исследование новых конструкций и методов проектирования сверхширокополосных MAP на основе плоских линз Люнеберга с возможностью полноазимутального сканирования как более простых и дешевых, по сравнению с классической линзой сферической формы. Также весьма актуальной задачей является разработка и исследование новых конструкций многолучевых антенных решеток с секторным сканированием на основе апланатической линзы, линзы Ротмана и линзы Люнеберга и создание антенных элементов для этих решеток.

Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетных НИР, проводимых на кафедре радиоэлектронных устройств и систем ФПБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в 2010-2013 гг. в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ — «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации».

Объектом исследования диссертационной работы являются сверхширокополосные многолучевые линзовые антенные системы.

Предметом исследования являются параметры и конструкции вариантов построения сверхширокополосных многолучевых антенных систем на основе плоской линзы Люнеберга, плоской линзы Ротмана и апланатической линзы.

Целью работы является разработка методики проектирования и исследование сверхширокополосных антенн с полноазимутальным

коммутационным сканированием, построенных на основе плоской линзы Люнеберга, а также - сверхширокополосных антенн с широкоугольным коммутационным сканированием, выполненных на основе плоской линзы Люнеберга, линзы Ротмана и апланатической линзы, и антенных элементов для них.

Достижение поставленной цели потребовало решення следующих задач: анализ современного состояния теории и техники сверхширокополосных многолучевых линзовых антенных систем и антенн с коммутационным сканированием с целью определения существующих проблем и перспективных направлений их решения;

разработка и апробация методики проектирования сверхширокополосных антенных устройств, построенных на основе планарной линзы Люнеберга; исследование возможности реализации полноазимутального сканирования для созданных антенн с помощью микроэлектромеханических коммутаторов;

- разработка и исследование секторных многолучевых антенных решеток на основе линзы Ротмана, апланатической линзы и плоской линзы Люнеберга;

- разработка и исследование антенных элементов для секторных многолучевых антенных решеток.

Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана и исследована электродинамическая модель замедляющей структуры гребенчатого типа, предназначенная для вычисления коэффициента замедления волны в плоской линзе Люнеберга, построенная на основе использования метода частичных областей Трефтца;

- разработана методика синтеза и анализа плоской линзы Люнеберга на основе импедансных структур с диэлектрическими и металлическими ребрами, характеризующаяся возможностью полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, отличающаяся использованием эволюционного алгоритма на первом этапе параметрической оптимизации антенны;

- разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным широкоугольным сканированием, построенных на основе печатной линзы Ротмана, планарной линзы Люнеберга и планарной апланатической линзы, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемых линз с учетом дифракционных искажений формируемого амплитудно-фазового распределения в длинноволновой области функционирования антенн;

- предложена и исследована конструкция антенны Вивальди с печатной метаматериальной линзой, образованной электрическими рассеивателями малой длины, корректирующей фазовые искажения в Е-плоскости,

позволяющая повысить коэффициент усиления антенны вплоть до 2 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3;

показана возможность реализации полноазимутального коммутационного сканирования в сверхширокой полосе частот для антенн, построенных на основе пленарной линзы Люнеберга, управляемых с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS со значениями коэффициента передачи в режиме изоляции -60 * -70 дБ, что вплоть до настоящего времени, оставалось нереализуемым при использовании коммутаторов, построенных на основе p-i-n диодов.

Практическая значимость работы заключается в создании методик проектирования сверхширокополосных линзовых антенн полноазимутального и широкоугольного сканирования, а также многолучевых сверхширокополосных антенн, отличающихся высокой технологичностью.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения н результаты, выноснмые на защиту:

- установлено, что для оценки величины коэффициента замедления в радиальном металлическом волноводе с импедансными стенками, характеризующимися глубиной пазов существенно менее четверти длины волны, в диапазоне частот с более чем трехкратным перекрытием можно использовать модель аналогичной координатной структуры, построенную на основе метода частичных областей;

- выяснено, что структура в виде двух обращенных друг к другу усеченных конусов, днища которых покрыты системой концентрических металлических колец, образующих плоскую линзу Люнеберга, может являться базовой для построения многолучевой антенны, или антенны с коммутационным сканированием в полноазимутальном пространстве или широкоугольном секторе в полосе частот с трехкратным и более перекрытием;

- установлено, что использование эволюционной процедуры уточнения профиля синтезируемых линз с учетом дифракционных искажений формируемого амплитудно-фазового распределения позволяет создавать сверхширокополосные антенны с коммутационным сканированием в секторе углов ±45°, нижняя рабочая частота которых определяется размером апертуры, равным трем длинам волн;

- выяснено, что эффективным способом повышения коэффициента усиления антенны Вивальди, вплоть до 2 т 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3, является использование метаматериальной печатной линзы, состоящей из малых электрических рассеивателей, размещенных в ее раскрыве;

- предложен подход к реализации полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, характеризующейся коэффициентом перекрытия

3, для пленарной лннзы Люнеберга, управляемой с помощью микроэлектромеханпческих ключей MEMS, которые в силу высокой изоляции в выключенном режиме слабо шунтируют радиальный волновод и не оказывают существенных искажений на формируемое фазовое и амплитудное распределение поля в раскрыве.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2001)» (Москва, 2011); XVIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2012, 2013); ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010 - 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 8 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [1, 4, 6, 7, 9, 10-14] проведение численных расчетов и математическое моделирование; во [2] изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний; в [3, 5, 8] поиск и предварительный анализ публикаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 92 рисунка и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы, перечислены методы исследования, приведены сведения об апробации работы, формулируются основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния теории и техники антенных систем, построенных на основе линзы Люнеберга и Ротмана. Показана необходимость создания сверхширокополосных антенн на основе планарной линзы Люнеберга с возможностью полноазимутального сканирования. Сделан вывод о перспективности создания многолучевых антенных решеток на основе линзы Ротмана и разработки для них сверхширокополосных антенных элементов.

Вторая глава диссертации посвящена разработке и исследованию сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием на основе линзы Люнеберга.

Разработана и апробирована математическая модель диаграммообразующей системы для антенны, построенной на основе планарной лннзы Люнеберга в виде системы концентрических металлических колец, предназначенная для параметрической оптимизации лннзы.

На рис. 1 показана геометрия двухмерной задачи распространения ТЕМ-волны в плоском металлическом волноводе с импедансными стенками.

Рис. 1. Геометрия двухмерной задачи рассеяния ТЕМ-волны на конечной

гребенке

Предполагается, что гребенчатая структура возбуждается ТЕМ-волной с плоским фазовым фронтом, у которой //у(дг,г) = ехр(Д0дг), к0 = —.

Поле дифракции в зазоре описано непрерывным пространственным спектром: Н?(х,:) = }[л(/?)-е"("г + Ж/?)где г(Р) = 4к°г ~ ?■

Поле в канавках нижнего уровня описано следующим образом

Я(»>(;г.)= + + Поле в канавках верхнего уровня

• =0

представлено выражением Н$(х,=) = -сов[<Гт(г-г-/£>)]-/Г(*)•

Касательные компоненты электрического поля £„ в зазоре и канавках

1 дНУ

определяются в соответствии с выражением Е% = ;—

Сшивание касательных составляющих поля на границах частичных областей (с учетом первичной волны) дает следующие соотношения: при 2 =-г (в раскрыве нижней гребенки)

| + Вте^У'-ар + е'*" = £ «и(£, -ЛГ)/ГМ (I)

для |*-*<и)|<а/2, / = 0^; [ [липе-'«'" - В(Р)е"^УР)е""<1р - ± -Г )/Г(*> (2)

для любого х;

при z = r (в раскрыве верхней гребенки)

][А(/3)е'«»' + + = cos(¿m Л'"')/Г(*> (3)

ДЛЯ |дг-д-'"|<а/2, * = Ü7;

-СО *ж| m=0

для любого дг.

Сложим почленно уравнения (1) и (3), а также вычтем (4) из (2), получим

2¡[A(P)+B(p)]Cos[y(p)r]e",'dp + 2e"" = -eos(£m.A<">)/«(*) +

" (5)

где |лг-д£"|<а/2, 2 J [/((/?) + fi(/?)]sin [y(P)r\y(p)e«"dp =

=ZI да. sin M" )/r w-zx s>n (6)

* •• i где -<» < x < да.

Умножим обе части (6) на е'"' и проинтегрируем по х в бесконечных пределах. С учетом замены р" на р получим

(7)

-zs^sin^-r)/:",ч/?)}.

Умножим уравнение (5) на функцию (та же в которой тик

заменены на ^ и д соответственно) и проинтегрируем по х в пределах от •С-а/2 до х^ + аП. Полагая здесь и далее, что = х!", получим

21 [А(р)+ В(Р)}со%[у(Р)г]1£(Р^Р + 2/£>(*„) = |(| + со5<£А<") +

Исключим из (7) и (8) переменную [А(Р) + В(Р)], получим: 1 £ к з,'п >1+

4.1 —а ^

1*1 от «О 1_ ^

где о* = } С'(/?)• вычисляется численно; но

поскольку принято, что х'"'=х'"', то С'(/?) = С,'(/?) и Т,'"(Р) = Т?\Р).

(8)

(9)

Далее разбиваем систему уравнений (9) на две независимых подсистемы: Z Z ^ к Д^О + = -2£Ч*о); ( 10)

X S Гс- sin (¿„,л"" ) • + +л» ) cos(im./r')

/-1 »'-о '

= 2С>(к0).

(11)

Решаем системы (10) и (11). Находим комплексные амплитуды волноводных мод в канавках ГС D1'1 и D'"'.

ira. m i

Подставляем найденные в ходе численного решения D™ и в

уравнение (7), а уравнение (1) - соответственно в Н*(х,: = 0):

wy3(jr,0)= J[/)(/?) + B(P)\-e'''*d[3 и находим поле в центре зазора.

Анализируя изменения фазы по координате х, находим фазовую скорость и коэффициент замедления бегущей волны. На рис. 2 представлены зависимости коэффициента замедления от частоты для замедляющей структуры, в которой изменялся один из ее геометрических параметров: высота выступов и ширина выступов. Значения изменяемых параметров нормированы к периоду гребенки равному 10 мм.

к 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1

0,9

^-

0.4

1.2

1.6

1.8

' 1,6 1,4

1,2 1

0,9 .■■■'

0,4

/. ГГц

/■ГГц

Рис. 2. Зависимость коэффициента замедления от частоты для замедляющей структуры со следующим изменяемым параметром: а) высота выступов; б) ширина выступов Разработаны и исследованы методики построения диаграммообразующих схем (ДОС) на основе ступенчатого конуса и системы концентрических диэлектрических (рис. 36) колец, расположенных между двумя усеченными конусами (рис. За). Размеры исследуемой антенны составили: общая высота антенны - 178 мм, высота каждого конуса - 86 мм, зазор между конусами - 6 мм, диаметр меньшего основания конуса - 300 мм, диаметр большего основания - 1000 мм.

а б

Рис. 3. Исследуемая антенная система с полноазимутальным сканированием: а) внешний вид; б) структура линзы, построенной в виде ступенчатого конуса В ходе математического моделирования были получены зависимости КСВН и коэффициента усиления (КУ) в диапазоне частот 1-8 ГГц (рис. 4) для линзы Люнеберга в виде ступенчатого конуса из фторопласта, построенной с помощью различных методик: пунктирная линия - на основе упрощенной оценки эффективной диэлектрической проницаемости замедляющей структуры; штрихпунктирная — на основе физической модели, в которой вычислялась энергия поля, запасенная в воздушном зазоре и в диэлектрике; сплошная - на основе вычисления постоянной распространения с помощью вышеизложенной модели замедляющей структуры. Как видно из рисунков, совершенствуя методы построения исследуемой антенны, удалось добиться коэффициента усиления 21,7 дБ на частоте 8 ГГц.

а б

Рис. 4. Полученные зависимости для линзы Люнеберга в виде ступенчатого конуса: а) КСВН; б) КУ Были получены зависимости КСВН и КУ для ДОС, построенной в виде системы диэлектрических колец (рис. 5). Установлено, что исследуемая антенна обладает неплохими согласованием и направленными свойствами, однако уступает конической линзе практически на всем диапазоне частот

а б

Рис. 5. Полученные зависимости для линзы Люнеберга, построенной в виде системы диэлектрических колец: а) КСВН; б) КУ (сплошная линия - линза из диэлектрических колец; пунктирная - лучший вариант конической линзы)

С целью максимизации коэффициента усиления ДОС в виде концентрических колец на верхних частотах исследуемого диапазона была проведена оптимизация ее структуры с помощью двухуровневой процедуры, использующей генетический алгоритм в качестве глобального (рис. 6).

¡ь

f-ГГц

а б

Рис. 6. Полученные зависимости для оптимизированной линзы Люнеберга, построенной в виде системы диэлектрических колец: а) КСВН; б) КУ (сплошная линия - оптимизированная линза; пунктирная - исходная) Полученные характеристики оптимизированной линзы Люнеберга указывают на ее превосходство над исходной линзой по КСВН и КУ. Незначительный уровень улучшения характеристик после оптимизации можно объяснить достаточно высокой точностью метода построения структуры исходной линзы Люнеберга.

Третья глава посвящена разработке и исследованию сверхширокополосных многолучевых антенных систем с секторным сканированием.

Разработана и исследована конструкция многолучевой антенной решетки (MAP) на основе линзы Ротмана (рис. 7), обладающая 8 портами лучей с подключенными к ним коаксиальными линиями, 8 портами решеток и подключенными к ним 8 антеннами с эллиптическими плечами и 8 балластными портами, нагруженными на нагрузки по 50 Ом. Исследуемая MAP представляет собой линзу Ротмана, помещенную между двумя слоями полистирола, покрытыми слоями меди с обратных сторон. Размеры антенны: ширина - 300 мм, длина - 390 мм, толщина одного слоя полистирола - 2 мм, толщина слоя меди - 0,018 мм, высота излучающего элемента - 34 мм, его ширина - 20 мм.

В силу симметрии линзы Ротмана характеристики рассчитывались только для портов с 1-го (крайний) по 4-ый (центральный). Для рассматриваемых портов КСВН принимает значение 1,5-3,5 в диапазоне частот 3-8 ГГц. Установлено, что направление главного лепестка ДН равно -37°, -23°, -14°, -4° для 1-го, 2-го, 3-го, 4-го портов соответственно. Эффективность MAP составляла от 40 до 60 % в исследуемом диапазоне частот.

йр ¡¡¡¡1 р

Рис. 7. Исследуемая MAP на основе линзы Ротмана

Разработана к исследована MAP на основе полистироловый апланатической линзы (рис. 8). На исследуемой антенне запитывающие порты размещались на окружности, радиус которой равен фокальному расстоянию линзы / = 643 мм, при этом каждый порт смещен относительно соседнего на 7° таким образом, получался сектор сканирования 90°. Порты крепятся к платформам, ширина верхней - 9 мм, нижней - 30 мм. Апланатическая линза располагается непосредственно перед началом раскрыва рупора.

б

Рис. 8. Исследуемая MAP (а) и апланатическая линза (б) Для компенсации дифракционных искажений в длинноволновой области геометрия апланатической линзы была оптимизирована (рис. 9а). В MAP (рис. 96), построенной на основе оптимизированной линзы, для формирования луча использовался экспоненциальный плавный переход, подключенный к коаксиальному кабелю (рис. 9в). ___

Рис. 9. Оптимизированная апланатическая линза (a), MAP (б) и экспоненциальный облучатель (в) 1-ый, 3-ий, 5-ый, 7-ой порты MAP на основе оптимизированной апланатической линзы соответствуют углам сканирования 0°, 12°, 25°, 42° при необходимых значениях 0°, 14°, 28°, 42°. Коэффициенты усиления для исследуемых портов составили 15,5 дБ, 14,9 дБ, 13,1 дБ, 12,5 дБ, при этом боковые лепестки остаются на уровне -10 дБ.

Из полученных зависимостей КУ от сем частоты (рис. 10) видно, что оптимизированная линза (сплошная линия) превосходит исходную (пунктирная) в полосе частот 1,5-3,5 ГГц. Были определены координаты фокусов рассматриваемой линзы с учетом дифракционных искажений поля на линзе и кромках волновода.

Разработана и исследована секторная MAP, построенная на основе

Рис. 10. Зависимость КУ от частоты для 1 -го порта апланатической линзы

диэлектрической осесимметричной линзы Люнеберга (рис. 11). На боковых стенках и под днищем антенны расположен поглотитель, необходимый для

Рис. 11. Секторная MAP на основе линзы Люнеберга в виде ступенчатого конуса: а) вид без волновода и рупора; б) собранная MAP Для рассматриваемой MAP были получены зависимости КСВН и КУ от частоты (рис. 12). На рисунках приняты следующие обозначения: 1-й порт (центральный) - сплошная линия; 4-й порт - штриховая; 6-й порт -штрихпунктирная; 8-й (крайний) порт - толстая линия.

Рис. 12. Зависимости для секторной MAP на основе линзы Люнеберга: а) КСВН; б) КУ для центрального порта

Проведенный расчет характеристик MAP показал, что для исследуемых портов в диапазоне частот 1,5 - 2,5 ГГц погрешность угла сканирования не превышает 3°. Коэффициент усиления в направлении главного лепестка на частоте 2 ГГц для I, 4, 6, 8 портов равен 16 дБ, 14,8 дБ, 13,4 дБ и 10,7 дБ соответственно.

Четвертая глава посвящена анализу и синтезу антенных элементов для работы в составе антенных решеток, а также исследованию возможности реализации полноазимутального сканирования для планарной линзы Люнеберга с помощью микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Для усовершенствования Е-образной антенны, пригодной для использования в составе антенных решеток, предлагается ввести два дополнительных полосковых излучателя, размещенных на малой (не более нескольких сотых долей длины волны) высоте над основным излучателем, симметрично относительно продольной оси излучателя, для расширения полосы рабочих частот и увеличения коэффициента усиления.

Были получены расчетные характеристики модифицированной антенны и исходной (рис. 13). Как видно из рисунков, предложенная конструкция антенны обладает КСВН, не превышающий 1,4 в полосе частот 1,5 - 1,75 ГГц, при этом коэффициент усиления остается стабильно высоким на уровне 8,7 - 8,8 дБ.

Рис 13. Зависимости Е-образной антенны с переизлучающими диполями:

а) КСВН; б) КУ

Представленные выше характеристики свидетельствуют о перспективности использования предложенной МПА в антенных решетках с управляемым положением луча или решетках синфазного излучения. Результаты расчетов характеристик синфазной четырехэлементной антенной решетки свидетельствуют о возможности получения коэффициента усиления на уровне 14,5 дБ на частотах 1,5 - 1,75 ГГц. При расстоянии между элементами 160 мм значение КСВН не превышает 1,6, а развязка между антенными элементами остается не хуже -26 дБ.

Для компенсации фазовых искажений в раскрыве антенны Вивальди предложено использовать печатную линзу, составленную из электрически малых рассеивателей, расположенную внутри раскрыва (рис. 14).

Было выяснено, что использование печатной линзы может дать выигрыш в коэффициенте усиления антенного устройства до 2 дБ и более, а также -существенно улучшить зависимость КСВН от частоты

(рис. 15). На данных рисунках сплошной линией ^ ^ Днтенна показана зависимость для антенны с линзой, Вивальди с печатной пунктирной - без линзы. линзой

Рис. 15. Зависимости для антенны Вивальди с печатной линзой: а) КУ; б) КСВН

(7. (>Б 10,5 10 9,5 9 8.5 8 7.5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4

КСВН

О. -JfilO 9 8 7 6 5 4 3 2 I

О

/У ■

/ г У.

t.....J.......

уГ / .........:.... __ .....

\

1.2 1 4 1 к 1 к 2.2 2.4 2,6 2 X

Рис. 16. КУ центральной антенны Вивальди с печатной линзой в составе решетки

Из антенн Вивальди с метаматериальными линзами были составлены линейные трехэлементные антенные решетки. Получена зависимость КУ для центрального элемента антенной решетки (рис. 16). На рисунке сплошной линией показана зависимость для решетки с линзами, пунктирной - без лннз. Как видно, использование печатных линз в антенных решетках, состоящих из элементов Вивальди, также приводит к росту коэффициента усиления.

Снижение абсолютных значений коэффициента усиления элементов Вивальди в составе антенной решетки относительно случая отдельного элемента связано с тем, что главный лепесток ДН в горизонтальной плоскости в составе решетки раздваивается. Следует отметить, что даже в случае раздваивания главного лепестка в диаграмме направленности использование линз приводит к существенному энергетическому выигрышу.

Исследовалась возможность реализации полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот для антенны на основе осесимметричной линзы Люнеберга с помощью МЭМС ключей.

В качестве используемого МЭМС переключателя был выбран RMSW303 фирмы Radant MEMS. На частотах 2 и 10 ГГц он обеспечивает уровень изоляции 70 и 45 дБ соответственно.

Влияние МЭМС переключателей на характеристики антенны исследовалось в ходе численного эксперимента. Всего на АС было установлено 59 МЭМС переключателей, расположенных вокруг линзы с шагом 6°. Для сравнения был рассмотрен случай использования РГЫ-диодов. Для исследуемых антенн были получены зависимости КСВН и КУ от частоты (рис. 17). Сплошной линией на рисунках обозначена антенна с МЭМС переключателями, штриховой - с PIN-диодами, штрихпунктирной - без нагрузок коммутирующими элементами.

КСВН 12-

а б

Рис. 17. Зависимости для антенны, построенной на основе осесимметричной линзы Люнеберга с МЭМС переключателями: а) КСВН; б) КУ для центрального порта

Видно, что установка Р1Ы-диодов приводит к сильному ухудшению согласования антенны и падению коэффициента усиления на всей исследуемой полосе частот. При использовании МЭМС переключателей КУ уменьшается примерно на 1 дБ и КСВН падает до 2,8 на верхних частотах исследуемого диапазона.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получены следующие основные результаты.

1. Разработана и исследована модель диаграммообразующей схемы сверхширокополосной антенны на основе плоской линзы Люнеберга, построенная на основе использования метода частичных областей, позволившая выяснить, что для оценки величины коэффициента замедления в радиальном металлическом волноводе с импедансными стенками, характеризующимися глубиной пазов существенно менее четверти длины волны, в диапазоне частот с более чем трехкратным перекрытием можно использовать модель аналогичной координатной структуры.

2. Разработана методика проектирования плоской линзы Люнеберга на основе импедансных структур с диэлектрическими и металлическими ребрами, характеризующаяся возможностью полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, основанная на использовании двухэтапной процедуры оптимизации, включающей в себя процедуры глобального и локального поиска варьируемых параметров, давшая возможность подтвердить тот факт, что диаграммообразующая схема в виде радиального волновода с импедансными стенками может использоваться в многолучевых антеннах, а также - в антеннах с коммутационным сканированием, функционирующих в полосе частот с коэффициентом перекрытия 3 и более.

3. Разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным широкоугольным сканированием с диаграммообразующими схемами, реализованными на основе печатной линзы Ротмана, планарной линзы Люнеберга и планарной апланатической линзы, учитывающая и компенсирующая дифракционные искажения поля в длинноволновой области, использование которой позволило реализовать 90-градусный сектор коммутационного сканирования при ширине главного лепестка на высокой частоте рабочего диапазона 5-6 градусов, при этом на нижней рабочей частоте апертура антенны составляет всего лишь ЗД,,.

4. Предложен и исследован эффективный способ компенсации фазовых искажений в раскрыве антенны Вивальди, основанный на использовании печатной метаматериапьной линзы с формой огибающей, близкой к гиперболе, состоящей из металлических полосок, длина которых составляет от (1/30)^ до (1/10)Ди в рабочем диапазоне частот, использование которой позволят повысить коэффициент усиления антенны вплоть до 2 + 3 дБ в высокочастотной области функционирования антенны. Показано, что подобные антенные элементы являются перспективными для использования в составе сверхширокополосных антенных решеток с широкоугольным сканированием.

5. Решена задача реализации полноазимутального коммутационного сканирования в сверхширокой полосе частот для антенны с коническим рупорным раскрывом и диаграммообразующей схемой на основе пленарной линзы Люнеберга, управляемой с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS, что оказалось возможным благодаря появлению образцов приборов с высокими значениями развязки в режиме размыкания (вплоть до -60 -s- -70 дБ).

6. Предложен подход к построению широкополосной патч- антенны Е-образного профиля с дипольиыми переизлучателями, обладающей стабильным коэффициентом усиления, превышающим 8,5 дБ в полосе частот свыше 20 %, возможными технологиями изготовления которой являются технология производства печатных плат, или лазерная резка. Благодаря стабильным направленным свойствам антенны и концентрации поля между Е-образным полоском и подстилающей поверхностью, антенна является перспективной для использования в широкополосных антенных решетках с широкоугольным сканированием.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Исследование возможности компенсации фазовых искажений в раскрыве антенны Вивальди с помощью печатной линзы / A.B. Ашихмин, В.И. Винников, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, С.М. Фёдоров // Радиотехника. 2012. № 2. С. 92-97.

2. Экспериментальное исследование сверхширокополосной антенны, построенной на основе модификации плоской линзы Люнеберга / С.А. Антипов, A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 3. С. 113-118.

3. Обзор принципов построения излучающих устройств с возможностью формирования нескольких лучей / С.Н. Панычев, Ю.Г. Пастернак, А.Г. Рыжиков, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 7.1. С. 126-129.

4. Зеленин И.А. Антенная решетка на основе линзы Ротмана / И.А. Зеленин, А.Г. Рыжиков, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 11. С. 102-105.

5. Обзор современных методов построения квазифрактальных излучающих структур / В.И. Винников, A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, Фёдоров С.М. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 5. С. 55-59.

6. Антипов С.А. Использование гибридных печатных антенн для построения линейных приемных антенных решеток / С.А. Антипов, В.В. Негробов, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 12.1. С. 119-122.

7. Исследование перспективных путей создания радиопеленгаторных антенных решеток на основе сверхширокополосных печатных элементов / A.B.

Ашихмин, В.И. Винников, М.Ю. Власов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский, Д.С. Сысоев, С.М. Фёдоров // Радиотехника. 2012. №2. С. 97-104.

8. Панычев С.Н. Обзор методов построения квазифрактальных антенных решеток / С.Н. Панычев, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 4. С. 32-35.

Статьи н материалы конференций

9. Makarov E.S. Broadband E-shaped microstrip atenna with dipole reradiators / E.S. Makarov, S.M. Fedorov // Microwave and Optical Technology Letters. 2012, T. 54, № 8, pp. 1785-1788.

10. Полноазимутальная антенная решетка с коммутационным сканированием на основе модификации плоской линзы Люнеберга / A.B. Ашихмин, М.Ю. Власов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовкий, Д.С. Сысоев, Фёдоров С.М. // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2001): материалы междунар. конф. и Российской научной школы. Москва: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 2. С. 177-179.

11. Моделирование антенн для построения пеленгаторной антенной системы диапазона 3-8 ГГц / A.B. Ашихмин, М.Ю. Власов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовкий, Д.С. Сысоев, Фёдоров С.М. // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2001): материалы междунар. конф. и Российской научной школы. Москва: Энергоатомиздат, 2011. Ч. 2. С. 188-191.

12. Исследование вариантов построения полноазимутальной антенной решетки с коммутационным сканированием на основе плоской линзы Люнеберга / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Федоров С.М. // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2011. С. 24-33.

13. Анализ характеристик сверхширокополосных осесимметричных антенн с веерной диаграммой направленности / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, С.М. Фёдоров // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVIII междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГУ, 2012. Т. 2. С. 885-895.

14. Исследование возможности улучшения направленных свойств антенны Вивальди с помощью печатной линзы из электрически малых рассеивателей / A.B. Ашихмин, В.И. Винников, В.В. Негробов, Ю.Г.Пастернак, С.М. Фёдоров // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVIII междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГУ, 2012. Т. 2. С. 896-903.

15. Математическая модель для оптимизации планарной линзы Люнеберга / A.B. Останков, Ю.Г. Пастернак, С.А. Слинчук, С.М. Федоров // Радиолокация, навигация, связь: материалы XIX междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГУ, 2013. Т. 2. С. 1013-1017.

Подписано в печать 12.07.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201361654

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ С КОММУТАЦИОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ В АЗИМУТАЛЬНОЙ

ПЛОСКОСТИ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Пастернак Ю.Г.

Воронеж 2013

2

Содержание

Введение 5

1. Анализ современных технологий в области проектирования и конструирования сверхширокополосных многолучевых антенных систем, а также методов математического моделирования антенн 12 такого типа

1.1. Анализ перспективных направлений проектирования

сверхширокополосных антенн на основе линзы Люнеберга 12

1.2. Анализ перспективных направлений проектирования

сверхширокополосных антенн на основе линзы Ротмана 17

1.3. Исследование возможности использования метода конечного интегрирования для моделирования сверхширокополосных антенн, построенных на основе линзы Люнеберга и линзы Ротмана в пространственно-временной области 25

1.4. Выводы по первой главе 33

2. Синтез и анализ сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием на основе линзы Люнеберга 35

2.1. Математическая модель для оптимизации планарной линзы Люнеберга, построенной в виде системы концентрических металлических колец 35

2.2. Результаты моделирования сверхширокополосной антенны с коммутационным сканированием на основе линзы Люнеберга, со структурой в виде системы концентрических металлических колец, построенной с помощью математической модели конечной гребенки 43

2.3. Методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием на основе осесимметричной диэлектрической линзы Люнеберга 46

3

2.4. Результаты моделирования сверхширокополосной антенны с коммутационным сканированием на основе осесимметричной диэлектрической линзы Люнеберга 54

2.5. Методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием на основе линзы Люнеберга, состоящей из системы концентрических диэлектрических колец 59

2.6. Результаты моделирования сверхширокополосной антенны с коммутационным сканированием на основе линзы Люнеберга, построенной

в виде системы концентрических диэлектрических колец 62

2.7. Оптимизация конструкции антенны с коммутационным сканированием на основе линзы Люнеберга, построенной в виде системы концентрических диэлектрических колец 66

2.8. Выводы по второй главе 73

3. Разработка и исследование сверхширокополосных многолучевых антенных систем с возможностью секторного сканирования 75

3.1. Синтез и анализ сверхширокополосной многолучевой антенной решетки построенной на основе линзы Ротмана 75

3.2. Синтез и анализ сверхширокополосной многолучевой антенной решетки построенной на основе апланатической линзы 85

3.3. Синтез и анализ секторной антенны построенной на основе диэлектрической осесимметричной линзы Люнеберга 99

3.4. Выводы по третьей главе 105

4. Разработка и исследование антенных элементов для работы в составе антенных решеток, а также исследование возможности реализации полноазимутального сканирования для планарной линзы Люнеберга с помощью микроэлектромеханических систем 106 4.1 Синтез и анализ широкополосной Е-образной микрополосковой

антенны с дипольными переизлучателями, используемой в качестве антенного элемента в решетке, построенной на основе линзы Ротмана 106

4

4.2. Исследование возможности улучшения рабочих характеристик

антенны Вивальди с помощью печатной линзы 113

4.3. Исследование возможности реализации полноазимутального сканирования для антенной системы, построенной на основе осесимметричной линзы Люнеберга, с помощью

микроэлектромеханических систем 121

4.4. Выводы по четвертой главе 131 Заключение 132 Литература 135

Введение

Актуальность работы. В настоящее время антенные устройства, способные формировать множество диаграмм направленности, широко используются в системах мобильной коммуникации, радиоастрономии, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, системах космической связи. В качестве таких многолучевых антенн часто используют многолучевые фазированные антенные решетки (ФАР) и многолучевые линзовые антенны. Наряду с электронным сканированием, для изменения пространственной ориентации главного лепестка, может использоваться устройство, осуществляющее механический поворот антенны с высокой направленностью (например, зеркальной или линзовой антенны) или ее облучателя. Механические способы управления направленностью излучения имеют очевидные недостатки - малая скорость сканирования и низкая надежность.

ФАР обладают высокой скоростью изменения диаграммы направленности, однако, их полоса рабочих частот и секторы сканирования ограничены. Существенными недостатками ФАР являются их конструктивная сложность, сложность управления, а также - высокая стоимость.

Классическая сферическая линза Люнеберга также является достаточно сложной и дорогой в производстве антенной (по данным производителя линз Люнеберга компании Matsing (сайт http://www.matsing.com/), стоимость многолучевой антенной решетки (MAP) диапазона от 1 до 10 ГГц с линзой Люнеберга диаметром 600 мм, достигает 60000$).

Поэтому актуальным является разработка и исследование новых конструкций и методов проектирования, сверхширокополосных MAP на основе плоских линз Люнеберга с возможностью полноазимутального сканирования, как более простых и дешевых, по сравнению с классической линзой сферической формы. Также весьма актуальной задачей является разработка и исследование новых конструкций многолучевых антенных решеток с

секторным сканированием на основе апланатической линзы, линзы Ротмана и линзы Люнеберга, й создание антенных элементов для этих решеток.

Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетных НИР, проводимых на кафедре радиоэлектронных устройств и систем Воронежского государственного технического университета в 2010-2013 гг. в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ - «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации».

Объектом исследования диссертационной работы являются сверхширокополосные многолучевые линзовые антенные системы.

Предметом исследования являются параметры и конструкции вариантов построения сверхширокополосных многолучевых антенных систем на основе плоской линзы Люнеберга, плоской линзы Ротмана и апланатической линзы.

Целью работы является разработка методики проектирования и исследование сверхширокополосных антенн с полноазимутальным коммутационным сканированием, построенных на основе плоской линзы Люнеберга, а также - сверхширокополосных антенн с широкоугольным коммутационным сканированием, выполненных на основе плоской линзы Люнеберга, линзы Ротмана и апланатической линзы, и антенных элементов для них.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: анализа современного состояния теории и техники сверхширокополосных многолучевых линзовых антенных систем и антенн с коммутационным сканированием с целью определения существующих проблем и перспективных направлений их решения;

разработка и апробация методики проектирования сверхширокополосных антенных устройств, построенных на основе планарной линзы Люнеберга; исследование возможности реализации полноазимутального

сканирования для созданных антенн с помощью микроэлектромеханических коммутаторов;

- разработка и исследование секторных многолучевых антенных решеток на основе линзы Ротмана, апланатической линзы и плоской линзы Люнеберга;

- разработка и исследование антенных элементов для секторных многолучевых антенных решеток.

Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана и исследована электродинамическая модель замедляющей структуры гребенчатого типа, предназначенная для вычисления коэффициента замедления волны в плоской линзе Люнеберга, построенная на основе использования метода частичных областей Трефтца;

- разработана методика синтеза и анализа плоской линзы Люнеберга на основе импедансных структур с диэлектрическими и металлическими ребрами, характеризующейся возможностью полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, отличающаяся использованием эволюционного алгоритма на первом этапе параметрической оптимизации антенны;

- разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным широкоугольным сканированием, построенных на основе печатной линзы Ротмана, планарной линзы Люнеберга и планарной апланатической линзы, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемых линз, с учетом дифракционных искажений формируемого амплитудно-фазового распределения в длинноволновой области функционирования антенн;

- предложена и исследована конструкция антенны Вивальди с печатной метаматериальной линзой, образованной электрическими рассеивателями малой длины, корректирующей фазовые искажения в Е-плоскости,

позволяющая повысить коэффициент усиления антенны вплоть до 2 ч- 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3;

показана возможность реализации полноазимутального коммутационного сканирования в сверхширокой полосе частот для антенн, построенных на основе планарной линзы Люнеберга, управляемых с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS со значениями коэффициента передачи в режиме изоляции -60 -г- -70 дБ, что, вплоть до настоящего времени, оставалось нереализуемым при использовании коммутаторов, построенных на основе p-i-n диодов.

Практическая значимость работы заключается в создании методик проектирования сверхширокополосных линзовых антенн полноазимутального и широкоугольного сканирования, а также многолучевых сверхширокополосных антенн, отличающихся высокой технологичностью.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- установлено, что для оценки величины коэффициента замедления в радиальном металлическом волноводе с импедансными стенками, характеризующимися глубиной пазов существенно менее четверти длины волны, в диапазоне частот с более чем трехкратным перекрытием, можно использовать модель аналогичной координатной структуры, построенную на основе метода частичных областей;

- выяснено, что структура в виде двух обращенных друг к другу усеченных конусов, днища которых покрыты системой концентрических металлических колец, образующих плоскую линзу Люнеберга, может являться базовой для построения многолучевой антенны, или антенны с

коммутационным сканированием в полноазимутальном пространстве или широкоугольном секторе в полосе частот с трехкратным и более перекрытием;

- установлено, что использование эволюционной процедуры уточнения профиля синтезируемых линз, с учетом дифракционных искажений формируемого амплитудно-фазового распределения, позволяет создавать сверхширокополосные антенны с коммутационным сканированием в секторе углов ±45°, нижняя рабочая частота которых определяется размером апертуры, равным трем длинам волн;

- выяснено,, что эффективным способом повышения коэффициента усиления антенны Вивальди, вплоть до 2 т 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3, является использование метаматериальной печатной линзы, состоящей из малых электрических рассеийателей, размещенных в её раскрыве;

- предложен подход к реализации полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, характеризующейся коэффициентом перекрытия 3, для планарной линзы Люнеберга, управляемой с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS, которые, в силу высокой изоляции в выключенном режиме, слабо шунтируют радиальный волновод и не оказывают существенных искажений на формируемое фазовое и амплитудное распределение поля в раскрыве.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях: международная конференция «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2001)»; XVIII международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь»; ежегодные научно-технические конференции и семинары профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010 -2013).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 журналах рекомендованных ВАК РФ [13-20], в 1 журнале зарубежной печати [21] и 5 сборниках научно-технических конференций [22-26].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 92 рисунка и 1 таблицу.

В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния теории и техники сверхширокополосных антенных систем, построенных на основе линз Люнеберга и Ротмана. Показана актуальность создания сверхширокополосных антенн на основе планарной линзы Люнеберга с возможностью полноазимутального сканирования. Сделан вывод о перспективности создания высокотехнологичных сверхширокополосных многолучевых антенных систем с коммутационным сканированием на основе линз Люнеберга и Ротмана, а также - разработки антенных элементов, характеризующихся возможностью использования в антенных решетках • для широкоугольного сканирования.

Во второй главе разработана и апробирована математическая модель диаграммообразующей системы для антенны, построенной на основе планарной линзы Люнеберга в виде системы концентрических металлических колец, предназначенная для параметрической оптимизации линзы. Разработаны и апробированы методы построения сверхширокополосной антенны с коммутационным сканированием на основе плоской осесимметричной линзы Люнеберга, а также представлена методика проектирования линзы Люнеберга в виде системы концентрических диэлектрических колец. С помощью генетического алгоритма была проведена оптимизация структуры линзы Люнеберга, представляющей собой систему диэлектрических колец, с целью

максимизации коэффициента усиления в полосе частот с трехкратным перекрытием.

В третьей главе разработана и исследована многолучевая антенная решетка на основе линзы Ротмана и вибраторами с эллиптическими плечами в качестве антенных элементов и треугольными вырезами, корректирующими диаграмму направленности элементов в высокочастотной области. Проведен синтез и анализ антенной решетки с секторным сканированием, построенной на основе апланатической линзы, рассмотрены пути улучшения ее характеристик. Исследована возможность построения антенны с секторным сканированием на основе осесимметричной линзы Люнеберга.

В четвертой главе проведен синтез и анализ Е-образной антенны с дипольными переизлучателями, а также исследована возможность, использования этой антенны в составе антенной решетки. Разработана и исследована антенна Вивальди с метаматериальной печатной линзой в раскрыве, позволяющей повысить коэффициент усиления антенны вплоть до 2 v 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3. Исследована возможность реализации полноазимутального сканирования для планарной линзы Люнеберга с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS с высокой изоляцией.

1. Анализ современных технологий в области проектирования и конструирования сверхширокополосных многолучевых антенных систем, а также методов математического моделирования антенн такого типа

1.1 Анализ перспективных направлений проектирования сверхширокополосных антенн на основе линзы Люнеберга

Данный подраздел посвящен анализу существующих перспективных технических решений в области проектирования сверхширокополосных антенн на основе планарной линзы Люнеберга.

Классические сферические линзы Люнеберга обладают уникальной способностью формировать сканирующий луч с любым значением угла места и азимутального угла, при этом форма диаграммы направленности остается неизменной. Однако при конструировании такой линзы возникают трудности, обусловленные технологической сложнос