Анализ антенных решеток планарных излучателей произвольной формы вибраторного типа возбуждаемых микрополосковыми линиями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

0.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО БУСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ГОСУЛАРОТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

lh почвах рукописи

СОЛОВЕЙ Алексей Ефимович

АНАЛИЗ АНТЕННЧХ РЕШЕТОК ПЛАНАРННХ ИЯЛУЧАТЕЛЕП НГОИПРОЛЫЮЙ ФОРМ}! BlffiFATOPUOI'O ТИПА ВОЗВУЛШЛЕМЧХ микрепо.теков!М! дигоши

Специальность - OJ. 04. 03 -• Радио Ьшикз

Автореферат лиосергашт из соискание уччиоп степени кандидата фнпико - магемати'Рогих trape

Томск

1994

■ Работа выполнена на кафедре Антенных Систем Новосибирского Государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор физико - математических наук, лрофессор Коняшенко Е. А.

Официальные оппоненты: доктор фиэико - математических наук, профессор Пономарев Г. А. , Томский Государственна Университет, г. Томск

Ведуигая организация - Уральский Государственный Технический

на (заседании специади

Томском государственном университете по адресу: 634010, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией могло ознакомиться ь библиотеке ТГУ

кандидат физико -математических наук, с. н. с., Ведичелко Е П. , Сибирский физико - технический институт (СФТИ), г. Томск.

Университет (УГТУ-УПИ), г.Екатеринбург.

Защгеа состоится

Ученый секретарь специамиаировашюго совета К №3. ЬЗ. 03,

¡•с. ф. -и. ч , доцент

Г. И Дейкоьц

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Антенные системы являются важнейшей оконечной частью радиоэлектронных комплексов, в значительной мере определявшей их информационный и энергетический потенциал. Из многочисленных направлений совершенствования антенных систем выделим два: это расширение рабочей полосы частот и переход к печатной и интегральной технологии их изготовления.

Одним из способов расширения рабочего диапазона излучателей является переход к излучателям сложной геометрической формы, поперечный размер которых сравним как с его продольным размером, так и с длиной волны. Это делает актуальным разработку метода анализа пленарного излучателя произвольной сложной формы, специально ориентированного на высокую эффективность при расчетах в кмрокой полосе частот.

В силу того, что поперечный размер таких излучателей резко отличается от поперечного размера проводников фидерного тракта, возникает проблема согласования в месте соединения излучателя с фидером. Это делает актуальным разработку математической модели анализа переходной области между фидером и излучателем.

Одной из основных проблем при расчете антенных репеток является проблема размерности представления векторов поля и тока, описывамдих реяз<м работы решетки. В случае решеток излучателей слолгой форш, работавших в широком диапазоне частот,. проблема размерности стоит особенно остро, так как представление тока на излучателе носит существенно многоходовый характер. Эхо делает актуальным разработку методов расчета АР, специально ориентированных на существенное сокращение размерности задач!!.

ПЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Основная цель исследования состоит в разработке методов анализа пленарных излучателей произвольной сложной форш, АР таких излучателей, возбуждающих их отрезков МПЛ и создания на этой основе эффективных численных алгоритмов анализа и синтеза указанных структур. В соответствии с этим в работе были поставлены и реизиы следующее вопросы:

- развить метод расширенной области на случай планарних излучателей произвольной слошсй формы вибраторного типа;

- разработать математическую модель и метод расчета криволинейного разветвлявшегося участка неоднородной микрополосковой линии, В08П>'9Гла»тк>Л печатный излучатель сложной формы:

Л1« пжчфть >•-" тгу; расчета олнлрмдрпД микрополоскорой линии

с произвольной шириной верхнего и нижнего слоев металлизация; -

предложить метод расчета АР излучателей произвольно» елодагой формы, ориентированный на значительное сокращение размерности представления векторов ноля и тога;

- создать на основе выгкеук^анных методов высокоэффективнт пакеты -прикладных нрогралад, позволяющие производить анализ Л5-печатных осеспммегричных излучателей произвольной сложной формы вибраторного типа совместно с возбуждающими их отрезками криволинейных ШЛ, а также производить синтез прямолинейных отрезкой ШЯ, служащих трансформаторами волновых сопротивлений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Основные положения, определяющие научную новизну исследования, состоят в следующем: .

1. Штод расширенной области распространен на случай анализа пленарного осесиья.ю-тричного излучателя произвольной сложно;, формы.

2. Настроен сгдацтьный двумерный базис полей I! токов на плоской осесимметричной области произвольной сложной фор;.;ы, яг-лягедэйся поверхностью излучателя, и доказана его полнота и ортогональность.

3. Предложен метод расчета конечшя антенных рею-; ток - катод навэдзиаых подзй и токов - ориентированный на суроств'. тоа сокрадзипе равмерностм задачи анализа АР осесиммэтричных излучателей произвольной СЛОЖНОЙ формы.

4. Разработана математкчеозя модель однородной дакроно-йосковой шиш с произвольной V различной шириной верхнего л пикнего металлизированная слоев, получены аппроксимирующие ее характеристики аиашшескво формулы.

5. Разработана математическая модель отрезка неоднородной раэветвлявдйся тткроголосковой линии. На основе сопоставления моделей однородной и неоднородной ШЛ получены неравенства, по?-воляпгою придать количественный смысл понятию "плавный переход".

ПРШИЧЕСКАЯ В11АЧИМООТЬ. Теоретические исследования п'рсш»,-денкае в работе, .позволили создать пакеты прикладных программ, пазвоязшвде производить анализ пленарных излучателей, поперечны? раз»зр которых есть чзтиая функция их продольной координаты. ко-яавдых АР таких Излучателей, отрезка криволинейной неоднородной 'разветвляетжйся МПЯ лх возбуждающей и синтез неоднородного пря-тамнеАного отреза ШЙ, согласующего излучатели со стандартов Задаром. Ка основе большого количества численных расчетов; - получены аналитические формулы, позволяющие апгрпксимирочггь

хар;жтерист.чки однородной МПЛ о произвольной шириной верхнего н ич'мего металлизированных слоев с точностью не хуяа 4%; .

- получены неравенства, позволявшие оценить погрешность .вычисления характеристик плавного перехода в квази - Т приближении, возникающую вследствие конечности его дишш;

- предложены конкретные геометрии излучателей и возбуждающих их отрезков криволинейной неоднородной разветвляющейся 1ШЛ, рабочий диапазон которых несколько октав;

- установлено, что при замене излучателей $АР на излучатели «вой формы. но имеющие то из входное сопротивление на данной частоте, иипедансние характеристики ФАР не изменяются во всем диапазоне углов сканирования, что открывает широкие вовдаягосги модификации уже существующих решеток с целью придания им иных направленных, поляризационных и диапазонных свойств при сохранении прежнего уровня согласования; предложен конкретный вариант такой модификации;

Пакет прикладных программ PROFML внедрен на предприятии ИИ-ИАП и научно - производственной фирме "Виконт" , г. Новосибирск, что подтверждается актами о внедрении.

ДОСТОВЕРНОСТЬ. Полученные в работе результаты верифицированы сопоставлением их с результатами, полученными другими автора-', ми, и с экспериментальными данными.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты докладывались на:

1. II Республиканской научно-технической конференции " Расчет и проектирование полосковых антенн ", .Свердловск, 19В5г. .

2. Всесоюзном научно-методическом семинаре высшей сколы попркк- • ладной электродинамике, Москва, 1987г. .

3. Областной межвузовской научно-технической конференции " Интегральные волноводные и полосковые СВЧ элементы систем связи", Куйбышев, 1987г.

4. Краевой научно-технической конференции " Интегральная электроника СВЧ ", Красноярск, 1987г.

б. Научно-технической конференции " Проблемы математического моделирования и реализации радиоэлектронных сиет<=м СВЧ на 0И0",. Шсква, 1987г.

6. Всесоюзном научно-техническом совестил - семинаре " Рассеяние электромагнитных волн ", Таганрог, 1989г.

7. Ш научно-технической конференции " Математическое моделирование и слггр рятг?лй1Строипн* систем СВЧ wn МО ", Су злая», ктпг.

8. Всесоюзном научно-техническом семинаре " Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза ан -тенно-фидерных систем и их элементов ", Ростов» 1990г.

9. Всесоюзных научно-технической конференциях " ФАР - 90 " , " ФАР - 92 Казань, 1990. 1392гг.

10. XXX, XXXII, XXXIII Областных научно-технических конференциях, посвященных Дню Радио, Новосибирск, 1987, 1989, 1990гг.

11. Российской научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, Новосибирск, 1993г.

1?.. XLVIII Научной сессии, посвященной Дню Радио РНТО РЭС им. Л. О. Попова, Москва, 1993г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные материалы диссертации опубликованы в 23 печатных работах.

СТРУКТУРА И ОВЬЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Шлный объем работы составляет 200 страниц, в том числе 11? страниц основного текста, 39 страниц рисунков, 51 страница приложений. Список литературы включает 275 наименований.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИ« НА ЗАЩИТУ:

1. Модификация . метода расширенной области на случай задачи возбуждения планарного осесимметричного излучателя произвольной сложной форма

2. Построение специального двумерного базиса полей и токов на плоской осесимметричной области произвольной сложной формы и его полнота и ортогональность.

3. Новый метод расчета конечных антенных решеток - метод наведанных полей и токов, позволяющий существенно сократить размерность задачи анализа АР планерных осесимметричных излучателей произвольной сложной формы.

4. Штематическую модель однородной микрополосковой линии с произвольной и различной шириной верхнего и нижнего слоев металлизации и аппроксимирующие ее характеристики аналитические Формулы.

5. Математическую модель отрезка неоднородной разветвляющейся микрополосковой линии, являющейся переходной областью между фидером и излучателем.

Во введении изложены вопросы, рассматриваем/'.? в диссертации обоснована актуальность, цели и методы исследования, дан о^зор литературы, приведено краткое содержание работы.

В первой главе производится постановка внешней граничной задачи электродинамики для идеально проводящих тел произвольной сложной форш и дается обзор существующих подходов к ее решению. Отмечается, что наиболее эффективным с точки зрения последующей численной реализации является метод интегральных уравнений. При численном решении наибольшее распространение получили метод моментов и метод конечных элементов.

В данной главе метод "расширенной области", впервые применявшийся для расчетов полей в волноводах сложного поперечного сечения, развит для случая анализа характеристик излучателей произвольной сложной формы. Достоинство предлагаемого метода состоит в том, что по эффективности он близок к методу собственных функций, а по универсальности - к методу конечных элемэнтов. Причем, эта эффзгаивность особенно проявляется в полосе частот..

В основе метода "расширенной области" лежит представление апертуры сложной форь/ы как части накрывающей ее апертуры расширенной области с простой геометрической формой, контур которой совпадает с координатни-ш лилиями (поверхностями). Это позволяем представить оператор обобщенных шшдгнсов 2 сак произведение трех операторов:

А Л Л А

' (И

Л

где 2° - оператор обобщенных импедннсов расширенной сПласти, ьид которого определяется уравнения!,«л Шксве-га*. к 1.-:рмс« расширенной области (он не изменяется при переходе к рассмотрению излучателя

Л А ,

другой Форш), А" и А - чисто геометрические оператсри, завися-, даз только от соотношения нейду формами излучателя я расгшретчсЛ области.

При расчетах в полосе частот с равномерным в логарифмическом масштабе шагом по частоте, в силу принципа электродинамического подобия, импедансный оператор расширенной области в Ш - ой точке частотном диапазона молет быть рцчислрн через ише~ данпный оператор н ! - ой точке по фермулп, пнаиогиччой (1): :

гг., (2)

- в -

л

/ч

где В" и В * - операторы, зависящие только от величины шага по частоте и являвшиеся частным случаем операторов А" и А .

В качестве расширенной области в данной работе используется прямоугольник продольным размером I и поперечным размером Э (рис.1). В случае произвольных по отношению к длине волны размеров Ь и 0 существенны обе поляризаций тока, что делает задачу чрезвычайно громоздкой в вычислительном плане. Поэтому в работе из рассмотрения свойств четности иыпеданеного оператора производится разбиение задачи обаего вида на четыре независимых подзадачи различной степени четности, что дает выигрыш по одной иод-задаче в 16 раз,- а по полной задаче в 4 раза.

Далее в работе подробно рассматривается подзадача одного из типов четности,соответствующая возбуждению осесиммэтрнчного вибратора в ааэорэ, находящимся в его середине. Вводятся базисные функции полей и токов, и поскольку они несколько отличается от обычного тригонометрического базиса, то доказывается их полнота и ортогональность в пространстве 1г. Обсуждается та!ж соблюдение условий Цэйкснера на ребре и вычисляется матричное представление импедансного оператора расширенной области. Показано, что полученное матричное представление асишгготически трехдаагоиаяьио. что используется для повдаения эйФ;ктиш;ости численного алгоритма при расчетах излучателей с существенно непрямоугольной геомэтрией контура.

С целью сохранения симметрии выбранной подзадачи далее рассматривается планарный осесимметричный излучатель, поперечный размер которого есть четная функция его продольной координаты (риеЛ), и вводится разложение полей и токов га поверхности по еяедукздому базису:

л* = Ьф (Ь я~г р "

/

j

F - // ^ tin »h^.f.

Здесь н далее для краткости записи принято тензорное правило "немого суммирования" по повторяющимся индексам. Разложение (3) содершт два отличия or разложения в обычный тригонометрический ряд. Первое - это член содержаний множитель, являизийся ло-гарнфмической производной поперечного размера излучателя по его продольной [»ординате, имеющий' амплитутуду, совпадающую с амплитудой Jx и обрадавадйся в ноль для прямоугольного излучателя. . Введение такой дополнительной У - компоненты плотности тока обеспечивает автоматическое выполнение условий Цейкснера на ребре непрямоугольного излучателя. Второе отличие - зависимость d(x) - приводит к обобщению тригонометрического ряда типа ряда Ф/рье, в связи с чем приводятся доказательства соответствующих теорем о сохранении всех свойств обычного ряда Фурье. В итоге

- операторное .уравнение, выражающее граничное условие на поверхности идеально проводящего излучателя сложной формы, сводится методом моментов к задаче линейной алгебры

Unin ~ 2Z tnn ру, Ipf- }

где Unm - известные амплитуды гармоник возбуждающего поля, îpq -искомые амплитуды вектора тога на поверхности излучателя, Zntrpq

- матрица обобщенных импедансов излучателя сложной Форш. . ■

В заключение отмечается, что метод расширенной области при расчете характеристик излучателей сложной геометрической Форш в полосе частот дает выигрыш по ресурсам ЗБМ 1-3 порядка по сравнению с методом конечных элементов или катодом моментов с локальными базисными функциями, незначительно уступая им в универсальности.

второй излагается ноеый метод анализа АР излучате-

лей произвольной слоЖчой формы - метод наведенных полей и токов, специально оркентировашшй на значительное сокращение размер-, ностн векторов поля я тока, опмсиваюаих реаям работы решетки. ..

R тенору метеля пождано преяс!Твва«нн<? пода и torai на по-

верхности излучателя АР в виде суперпозиции двух сложных составных шд - возбуэденной и наведенной:

Ji ~ Jßi + ^hi

(5)

—у —у —у

С. = /г .. + f ■

С ¿L I-HL

Возбужденный ток определяется как ток, возникающий на излучателе вследствие его возбуждения фидером, а наведенный как ток, возникающий дополнительно, вследствие его взаимодействия с другими излучателями решетки. Возбужденное и наведенное поля определяются так же.

Представление тока и поля на излучателях АР в виде (5) является точным, не вносит никаких ограничений, но вместе с тем и не дает и никаких преимудеств, в том числе и с точки зрения Проблемы размерности. Такие преимущества возникают, если заметить,. что возбужденная и наведенная моды поля и тока существенно отличается друг от друга по типу возбуждения и соответственно тто кодовому составу. С одной стороны, возбужденное пол> ^адпется вектором возбуждения АР, а возбужденный ток может быть ггчйх- н из решения задачи об одиночном излучателе вне состава решетки. С другой стороны, для наведенных полей и токов, кок для полей от удаленных источников и наведенных ими токов, ю/ит быть введено то яля иное приближенное выражение.значительно уменьшающее их 'разкертюеть без существенной потери точности представления.

В простейшем варианте метода, реализованного в данной гласе, ваЕеденное поле Бн1 приближенно считается полем плоской ьойЛ!, равноашиитудпо и снкфаано воэбузоаювей излучатель вдоль его оси, а наведенный ток JIU' приближенно заменяется током J'u. , возбуждаешь этой волной. В таком приближении подовый состав *Fni оказывется известным, неизвестными оказывается лишь их гймплсксныа амплитуды, и размерность задача анализа ЛР ивл? чателей сдожгай Форш совпадает с числом элементов ретгткк.

Записывая граничные условия для идеально проводяоеА поверхности излучателей (6) и применяя к ним представления (5) и приближения простейшего варианта ютояа наведенных полей и то»«в. юлою подучить уравнение (?), решением которые юмгятхиж. ашиштуды наведенных тока?» на излучателях ЛР:

- 11 -

Г —V Л у

I Естл + Яп^е^о

1 ~> л (6)

где ¿Г^- - вектор возбуждающего поля решетки в методе наведенных полей и токов:

Е'вс^ки^^Л- (8)

з X ¿j - оператор обобщенных импедансов АР в представлении этого метода:

Л А.

7 • ■ = Р ■ ■ 7 - • (9)

^ б I X С С I ^ 4 '

В выражениях (8), (9) Я,^- - оператор, проектирующий вектор напряженности наведенного поля в постоянную составляющую. направленную вдоль его оси.

Получены матричные представления операторов ¿¿у и . Приводятся оделенные и аналитические оценки границ прикениксст-в простейиего варианта метода наведенных полей и токов для плоских АР излучателей слотаюй формы, из которых следует, что область применимости простейшего варианта метода - линейные АР излучателей, оси которых отклонены от оси решетки на углы, близкие к 90 град. , и минимальное расстояние между которыми больгае 5.3 Л

В третьей главе рассматривается один из возможны* вариантов системы возбуждения излучателей слогаой формы вибраторного типа, выполненных по печатной технологии в симмзтри'йгом и несимметричном исполнениях на основе отрезков микрогголосковых линий. В соответствии с этим производится постановка я решение двух основных задач. Задачи синтеза согласующего и при необходимости симметрирующего трансформатера во'лнового сопротивления на основе отгезкз несимметричной МГ1Л с, вооОше говоря, различной и етнеч-ней шириной верхнего и нижнего слоев металлизации (область рис."). и задачи анализа импеданенкн. харагсгаристик излучателя вблизи области возбуждения. моделируемой у част сом кпиво.пипсЛчо^ оозвртвлякюсЛся 1'ПД (область 3. рич. Л

Синтез оптимального трансформатора волновых сопротивлений, б свою очередь, проводится в два этапа. На первом производится синтез оптимального компенсированного экспоненциального перехо -да. На втором - синтез коястряедш отрезка ЫГШ, ре&теэу кадий этот переход. Волновое сопротивлени) и эффективная диэлектрическая проницаемость в сечении перехода считаются совпадавшими с сопротивлением и проницаемостью несимметричной однородной Ш1Л с идеально проводящими слоями металлизации нулевой юга!!®, рапиоло-яэнпши симметрично один над другим и имэмдеши различную ширшу Ьу и Ьг . -Голзиша диэлектрической пластины Н, диэлектрическая проницаемость £г , ее размори много больше шнрннн волосков. Окружающее пространство заполнено диэлектриком ¿V .

Тогда в коази - Т приближении и без учета потерь, непосредственно из решения телеграфных уравнений, следует, что волновое сопротивление У, скорость распространения основного типа волны V к эффективная диэдектричеаш нрошщпеюсть могут быть выролвны через погонную электроемкость линии С (£г)

г/-С(£2)}

1/ = Т/о / (10)

где У0 - скорость СЕЭта в вакууме.

Шгонная электроежссть ШЛ ищется из решения граничной задачи электростатики. Система уравнений Пуассона решается в спектральном представлении с использованием методоп а на

последнем этапе численно катодом моментов.

У 7 7 \

** е о ¿» и ~ о т >

/'I I

л -

О

о\

*ро

■spn

Z

рп\

Z^o Zj,

с,

а

&

(И)

V I

где С - искомая погонная электроемкость МЕЯ, , И\„ - не-

известные коэффициенты разложения поверхностной плотности заряда полосков. Zoo, Zpo и т. д. - элементы матрицы СЛАУ является однократными интегралами по полубесконечным осям с пространстве волновых векторов, а сама матрица имеет, благодаря разложению поверхностной плотности заряда в ряд Фурье, резко выражшюе ди-

агонильпоа преобладание.

Ла основе большого количества вычислений была проведена нотификация имеющихся в литературе аналитических формул расчета характеристик несимметричных ШЛ для случая Ь2 » <» на случай конечных, в том числе и равных Ь/ значений Ья . Точность полученных аппроксимирующих формул 2 - 4%.

(л/л«/)

Г 2*1^,393 * 0,667.

V6 эр.р. 1 к

' ¿12 ( Ц± ы.ччч)] о,ч; г /А > О (ш

с - + ^у"*

- ^~ я .г ( ч е^ 1 ,

где

..5,06т/Н -4,40 Г/А

¡г о,5(не )е (13)

Моделирование имзедашшк характеристик излучателя аикэгсД Форш а области возбуждения на основе отрезка криволинейной разветвлявшейся ШЯ производится з квази - Т приближении, без учета потерь вычислением волнового сопротивления .и эффективной диэлектрической проницаемости отрезка как фунюши его продольной координаты через величину его погонной электрсешссти, Геометрия разветвления (область 3, рис. Е) характеризуется следукязш образом. Иаташаировашше криволииейниз разветвляются полоски нулевой толщины расположим на разню: сторонах диэлектрической пластины симметрично относительно прямолинейней • оси. Их форма задается значением координат средней линии и кяряяой полсска как Функций продольной криволинейной координат отрезка.

Решение уравнений Пуассона для криволинейного разветвляющегося перехода в К и - представлениях производится аналогично реюнгоп для однородной МПЛ за иеклшеннем следуюкзего: элементы матрицу убмваиг с ростом номера гармоники, но матрица, в отличив от случая одпсроиша МПЛ, не имеет при протокольной геснетрип ( диагонального преобладания. В силу этого задача

решения такой СЛАУ является некорректно поставленной, и ее численное решение проводится методом минимизации функционала, выралаиаего невязку девой и правой частей уравнения Пуассона:

Р = Л с1$< (•I - ег„ т аьп )2 ^ тьп , (14)

где бът ' искомуе коэффициенты разложения поверхностной плотности заряда криволинейных полосков, ^ >, ,п - элементы матрицы СЛАУ. Полученные значения коэффициентов разложения зарядов криволинейных подоское представляи/г квазирешение, сопоставимое по точности с точностью исходных данных, и дают аналитическое выражение для погонной электроемкости, которое по формулам (10) позволяет определить волновое сопротивление и постоянную распространения отрезка криволинейной разветвлявшейся МПЛ как функций его продольной координаты.

Исследованы границы применимости приближения используемого при проектировании плавных переходов, которое состоит в том, что за волновое сопротивление в сечешш перехода припишется значение волнового сопротивления однородной линии, геометрия которой совпадает с геометрией в сечении перехода. Сопоставление результатов расчетов в моделях однородной и неоднородной разветвляющейся М1Л позволило установить следующее неравенство:

(15)

где £ У погрешность вычисления волнового сопротивления в сечении в приближении однородной МПЛ, д V - перепад волнового сопротивления на отрезке ШЛ с относительной длиной а 2 ' I / Ь, где, в свою очередь, I - длина отрезка ШЛ, Ь - толщина диэлектрика, на который нанесены металлизированные полоски.

ё четвертой главе приводятся результаты численного моделирования и оптимизации печатных излучателей сложной формы, АР таких излучателей и возбуждающих их отрезков МПЛ, произведенного на основе теоретического анашаа, изложенного в Гл. 1,2,3 и с по!И!Ць» пшютов прикладных программ, краткое описание которых дано в Приложении.

Исследованы и оптимизированы имнедаиснце характеристики плоского прямоугольного излучателя. Получена зависимость волнового сопротивления, которым долдан обладать Фидер, наилучшим образом согласованный с излучателем р широкой полисе частот как

функция отношения длины излучателя к его ширине (рис.4), Иесле-глано влияние Форш излучателя на его импедансные характеристика. Установлено, что основное влияние оказывают два фактора: . форт излучателя вблизи области возбуждения и отношение длины излучателя к его среднему поперечному размеру. За счет оптишза-ции Форш удалось добиться расширения рабочей полосы по уровню КСШ < 2 до нескольких октав и снизить среднее значение КСВН в диапазоне с примерно 1.7 для прямоугольных до 1.4 для излучате-.. лей непрямоугольной формы (рис.3). Результаты сравнения теории с экспериментом приведены на рис. 5. ..

Произведен анализ АР излучателей сложной Форш на основе метода наведенных полей и токов. Обнаружено, что если заменить излучатели АР на излучатели другой формы, но имеющие на данной частоте при данном угле сканирования тот же входной импеданс в составе решетки, то импедансные характеристики этих решеток с высокой степенью точности совпадают при всех углах сканирования. Это обстоятельство открывает широкие возможности для модификации уже существующих АР путем замены их излучателей при сохранении конфигурации самой решетки с целью улучшения их частотных и направленных свойств без ухудшения согласования с системой еозбуй* дения. На рис. 6 приведен пример такой модификации, позволившая существенно рассиритЬ полосу рабочих частот: прямоугольные излучатели 8 - элементной ЛАР заменены на излучатели сложной форсы» что привело к расширению яолосы работа« частот путем улучшения согласования во всей области углов сканирования, '

Предложено несколько вариантов геометрий отрезков Ш1Л, еду-, жащих трансформатором волновых сопротивлений и при необходимости, симметрирующим устройством, согласуюв!их излучатель со стандартным фидером и мэделиругадос форму излучателя в области возбуждения. На рис.3 приведена геометрия отрезка ШЛ (область 2), служащего переходным устройством с фидера (область 1) с волг-новнм сопротивлением 60 ом на излучатель с входным сопротивлением 189 Olí, и участка криволинейной разйётвАягааейся Ш1Л (область 35 годелируюшэй форму излучателя в облаем возбуждений.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной рабстве.

В приложении находятся рисунки и Графики, йлдястрируюгпяе содержание основного текста, дано крат)toe огшеаиие пакетов прг?к-ладых программ, сбсундвется устойчивость и сходимость «давлениях мг"Г«ттп, п np«tfywTcs» яктн о внедрении результатов диссерта-.

шошюй работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАЮШ

Ь настоящей днссертациошюй работе бшш проведены теоретические исследовании по применению спектральных методов к решеяиь ряда шггуальных задач антенной техники. На основе спектрального представлении злсктрошгнитного поля ¡1 опирающегося на него метода расширенной ос пасти и метода наведенных полей и тиков ревела задача анализа пленарных идеально ироводпщих излучателей про-изьольиой сложной 4лрш, АР таких излучателей, анализа и синтеза возСуадавди их отрезков Ш1Л. Разработаны эффективные численные алгоритмы. реализованное в виде пакетов прикладных программ анализа и синтеза укапанных излучаших структур и их элементов. В ходе работы получены следу»аде основные результаты:

1. Штод расширенный области распространен на случай внешней задачи злектродишшила для идеально ироьодащих ллаиарных излучателей произвольной сложной формы. Шстроен базис полей и то-1С0£ пленарного осеомштричного излучателя произвольной сложной Форш, являщийся аналогом ооичиого тригонометрического базиса, и доказана его полнота и ортогональность. Подучено выражение для импедансного оператора излучателя слаыюй фермы в виде произведения трех операторов, два из которых является чисто геометрическими, прости в вычислительном плане к при переходе к другой геометрии излучателя должны шчпслнтся заново. Третий, численна наиболее ирудоемкий. - оператор обобщенных иыиеданеов растиреи-иой области, представляющий электродинамическую часть задачи, вычисляется только один раз.

2. Использование принципа зл^ггродинамического подобия и асимптотических свойств иыледаноюго оператора расширенной области позволило па 1 - 3 порядка, повысить эффективность метода при расчетах характеристик излучателей с существенно непрямоугольной форыой в полосе чаеют, что приблизило метод расширенной области по эффективности к методу собственных Функций, а по универсальности - к мш-оду конечных 'элементов.

3. Предложен новый метод анализа антенных решеток излучателей домной фории - метод »¡аьелешц« полей и токов, нозяолямдий значительно сократить размерность подставления секторов поля и тока, описившадих рехш работы решетки. Получено матричное пг-ь/гошгл»ш«е оператора сЛобшетш;; одрдэдссв АР осс-сиш-чричннх

планерных излучателей сложной Форш для -простейжего варианта метода. При этом размерность представления неизвестных ретаоров поля и тска совпадает с числом излучателей ЛР. Показано, что область применимости простейшего варианта метода - ляиейш*» ЛР с расстоянием между блияайгаша излучателяьт более О. 3 Л и углом наклона осей излучателей к оси решет/и; близкнм к 90 град.

4. И квази - Т прнблиленик решена задача об определении волнового сопротивления и постоянной распространения однородной микрополосковой лилии с произвольной и различной шириной металлизированных слоев. Получены шшгоксимь^угаие аналитические выражения для волнового сопротивления и Э'-Иектиеней диэлектрической проницаемости такой МИ, иозволяюте определять зтк характеристики с точностью не хуже '12.

5. В кваои - Т приближении решена задача сб определения волнового сопротивления и постоянной распространения отрезка неоднородной раяеетвляглрйся НШГ кат. фуиккяй ее продольной координаты. 11а основе сопоставления характеристик отрезков МИЛ, вычисленных в приблитении квазио.рноросной линии с точным электростатическим расчетом, иояученм нерасенстга, пезвоглши» при дать количественный смысл понятип "плавный пероу.-д".

6. Оптимизированы импедансные характеристики плоского прямоугольного излучателя. Уставорвсио. что наиболылей сироютпо-лосностью облзвакгг излучатели, у которых отцовские поперечного размера к продольному находится в диапазоне 0. 4 - 0. 6. Угелнче-ние ширины возбу^даг^го зазора с-ляе едкой десятой длину излучателя так;« улучшает его согласование я полосе частот.

7. Исследовано влияние формы излучателя на его импедансные характеристики. Установлено, что основное г.чиян»«? оказнг-.гг дга фавора: Форма излучателя вблизи области во~буж;гния и отношение длины излучателя к его среднему поперечному размеру. За сч*? оптимизации формы удалось добится расширения рабочей полосы по уровню • КГБН < Р. до нескольких октав и снизить значение Ш5Й в диапазоне с примерно 1.7 ця прямоугольных до 1.4 для излучателей непрямоугольной формы.

п. Произведен анализ ЛР излучателей произвольной слотаой Фог-чм на основа метола наиеденинх полей и токов. Обнаружено. что еслч заменить иэл/чатели аг на излучатели другой фор>ял, но wen-mro на данной wjore при дэнном угла сканирования тот входной импеданс п составе р»п:етп». to инпеладант характеристик» их реп»тек с высокой степей*» твчгагта оочпатгг при всех уг~

лах сканирования. Это позволяет модифицировать уже существующие АР путем замени их излучателей при сохранении конфигурации самой решзтки с цель» улучшения их частотных и направленных свойств без ухудшения согласования с системой возбувдевия.

б. Исследовано влияние особенности в распределении поверхностного заряда на краях бесконечно тонких полосков ШЯ на ее характеристики. Установлено, что на такие интегральные характеристики, как волновое сопротивление и эффективная проницаемость зта особенность существенного влияния не оказывает.

10. Исследовано явление дифракции на малых неоднородностях при распространении ТЕМ волны в длинных линиях. Установлено, что при размерах неоднородности меньше (0. 2 - 0. 3)Л, коэффициент отражения (или КСВН) уменьшается приблизительно прямо пропорционально уыакышк;;» размеров неоднородности.

Основное содеркадаю диссертации опубликовало в работах:

1. Коняшенко Е. Д., Соловей Л. Е. Расчет характеристик плоского Излучателя с произвольной геометрией апертуры //Расчет и проектирование полосковмх антенн/Тезисы II Республ. нау^. - техн. конф. - Свердловск. - 1985. - С. 16 - 17.

2. Коняшенко Е. А. , Соловей А. Е. Влияние геометрии плоского излучателя на его импедансныа характеристики //Интегральная электроника СВЧ/Тез. докл. краев, научн. - техн. конф. - Красноярск. - 1687. - С. 99.

а Соловей А. Е. Расчет волнового сопротивления несимметричной ' шфоподосковой линии. с диэлектрическим заполнением и произ -вольной шириной полосков //йнтегралькш волноводныэ и полос -ковыз СВЧ злешнты систем связи / Тез. дагл. облает, межвуз. науч. - праетич. конф. - Куйбшев. - 1987. - С. 87 - 89.

4. Соловей А. Е., Сютов К А. Расчет волнового сопротивления не -симметричной микрополосковой линии с диэлектрическим заполнением и произвольной шириной полосков / Тез. докл. XXX обл. науч. - технмч. кояф. - Новосибирска • - 1987. - С. 60.

5. КояяшеНко Е. А., Соловей А. Е., Шмыков К К Плоские диапазонные излучатели: методы расчета и принципы построении. МБ и ССО. УЭИ, Всесоюзный науч. - техн. семинар высшей школы по прикладной электродинамике. 108-ое заседание, 17.12. 87.

6. Коняшенко Е. А. , Соловей А. Е. Матрица обобщенных- импеданспв плоского излучателя с произвольной геометрией апертуры //

Электродинамика и распространение волн. - Томск. - 1987. - Н 7. - 312с.

г. Ким а Ф., Коняиенко Е. А., Соловей А. Е., Шмыков a IL Спеет -ральный подход в задачах анализа и синтеза пмрокополосных излучателей сложной геометрии // Рассеяние электромагнитных волн /Веесош. науч. - техн. совеп&ние - семинар. - Таганрог. -1983.

0. СоловеЛ А. Е. Моделирование характеристик печатного излучателя вблизи точки пнтания//Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС) / Тез. докл. III Научя. - техн. конф. - М.: Радио и связь. 1989. - С. 202.

9. Соловей А. Е. , Фрайденбергер А. А. Синтез плавного перехода с минимальной длиной и заданным уровнем согласования/Тез. до1сл.

- XXXII Облает, научн. - техн. конф. - Новосибирск. - 1989,- С. 91.

10. Коняшенко Е. А. , Соловей А. Е. Диапазонный излучатель сложной геометрической ¡Зормы. - в кн.: Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ Сб. пакетов прикладных программ/Под ред. Д. И. Воскресенского. - II: МАИ, 1990. - С. 68.

11. Конягоенко Е. А. , Соловей А. Е. Исследование широкополосных свойств плоского прямоугольного излучателя // Широкополосные устройства ьысоких и сверхвысоких частот: Мзж. вуз. сб. научя. трудов / Под ред. Г. А. Дегтяря. - Новосибирск: КЭТИ, 1990. - С. 80 - 85.

1Й. йоияшенко Е. А. , Шмыков &Н. , Соловей л. Б. . Ким В. Ф. Математическое моделирование диапазонных ивлуч?«*я»х структур при использовании К - представления электрочагштк'гл«**» //Математическое ;-юделнрованиэ и создание САП? для рэс*?ега, анализа и синтеза антенно - фидерных систем и их элементов /Тезисы докл. Всесоюен. науч. - техн. семинара. - Ростов, 1990. - С. 88 - 89.

13 Коняшенко Е. А. . Йяжоз В. iL , Соловей А. Е., Хмм а.Ф. Иетэян анализа диапазонных ФАР и их элементов // ФАР и их элементы автоматизация проеетирования и измерений / Тез., дэкл. Всееотач. нэучн. - техн. клиф, - Казань, 1990. - С. 47 - 4814. Соловей А. Е. Расчет геометрии мжрополоскового перехода-- в !:н.: Автоматизированное проектнроекткро&ннке антенн и угт -ройств ('B'-L СЗ. пакетов прикладных программ / ГЬд ред. Поскресрнскэто. - U: МАИ. 1990. - С. В" - 88.

Г> (Ъуовой А. Е. Совместней расчет симметричного платппого ивлу-

чателя с произвольной геометрией и .возбуждащэй его ШЯ // Иатематическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно - фидерных систем и их элементов / Тезисы докл. Всесоюзн. науч. - техн. семинара - Ростов, 1090. - С. 104.

16. Соловей А. Е. , йрайденбергер А. А. Аналитические формулы расчета характеристик ЫПЛ с произвольной шириной полосков /Тез. докл. XXXI11 Области, научи. - техн. конф. - Новосибирск. -1990. - С. Бб - 57.

17. Соловей А. Е. Синтез геометрии симметрирующего микрополосково-го перехода с произвольной шириной верхнего и нижнего металлизированию: слоев//Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1991. -Т. 34, N 11. - С. 8 - 12.

■ 16. Ноияшенко Е. А. , Соловей А- Е. Метод наведенных полей и токог .ч. теории ФДР/Теа. докл. мекреспубл. научн. - техн. конф. 5а -зированцце антенные решении и их элементы: автоматизация проектирования и измерений - Казань. - 1992. - С. - 10.

19. Соловей А. Е. Оператор обобщенных ш.шедансов АР в методе наведенных полей и токов//Электронная техника. Сер. 7. Техно -логин, организация производства и оборудование. - 11: ЦНИИ "Электроника". - 1992. - N 3(172). - С. 67 - 68.

20. В. R Лях, Eli Руденко, А. Е. Соловей. Плоские диапазонные малогабаритные излучатели СВЧ диапазона // Электронная техника. Сер.7. Технология, организация производства и обору - дование - U.: ЦНИИ "Электроника". - 1992. - Н 3(172). - С. 57 - 60.

21. Коняшенко Е. Д., Соловей А. Е. Метод расширенной области в задачах возбуждения плоских проводящих тел с посоординатной формой поверхности // Радиотехника и электроника. - 1992.

Т. 37. - выи. 8. - С. 1345 - 1351.

z2. Соловей А. Е. Дифракция на малых неоднородности* в длинных ли ииях/Тез. дом. Росс. науч. -техн. конф. - Новосибирск. -1993. - С. 15 - 16.

23. Коняиенко Е. А. , Соловей А. Е. Использование метода наведен -них полай и токов для улучшения частотных свойств существу -Ш№ АР/Теа. докл. XLVIII Научной сесин Р1ГГ0 РЗС им. А. С. Полова - Ы. - 1993. - С. 15 - 16.

( /

-2i -

ъ

7.

Lfl

e/z

C;

d(x)/2

рас. 1

' i ..

/ ^ u

11

\ \

\ >

¡ tt:J

pU,C. С-

■ 22 -ИЗЯУЧАТкЛЬ KSAJPAl

" ДвУСКОВЕННЬ.Ч "

" OSHOCI4'»{HlllM

ксвн

2-900----

2-в50 2.800 2.750 2- 700 2.650 2*600 2-550 2-500 2-450 2-400 2-350 2-300 2-250 2.200 2.150 2-100 2-050 2. ООО I -950 1 - 900 1-85-5

i. еоо

1-750 1.700 1.650 1-600 1-550 1 - 500 I .450 1-400 1 ■ 330 1 - 300 1-250 ) • 200 1-150 1.100 1 -050

1.000----

■ ООО

□ □ □

-1-

* <

-1—......I-----------1---------1---------1—

.«00 .6"0 1-200 1.600 2-000

-400

2- 900 2-350

2. еоо

2.750 2.700 2-650 2.600

2-500 2-450 2-400 2-350 2-300 2.250 2.200 2.150 2.100 2.050 2-000 1.950 1 - 900 1.850 1.600 1.750 1.700 1 ¡¿50 1.600 t .550 1-500 1.450 1 .400 1 .350 1.300 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 1 .ООО

ЭАЫ-К-ИМООЬ ОПТИМАЛЬНОГО ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛИДЕРА ОТ отноигния ДЯ^ИИ ПРЯМОУГОЛЬНОГО И^-ЙУЧАТЕЛЯ R tro BMF'WHt

Я рит•, Ом

170.000-

1бо.сюо

150.000 140.000 130.000 120.000 ио.ооо 100.000 40.000 80.000 70. ООО 40.000 50.000 40.000 30. ООО 20.000 10.000 .000-

.000

-I----------1----------1 —

.600 1.600 2.400

—I----

3.200

<1. ООО

L / к

170.000 160.000 150.000 140.000 130.000 I20.000 110.000 100.000 90.000

ео.ооо

70.000 60-000 50.000 40.000 30-000 20.000 10.000 .ооо

4,600

L / Ь

*

*

*

»

«

t

+

4

+

РИС - 3

ft

*

Сг-'ЛГ'Н* f!S-ir С Л''^ гтг :т>11 ■> ^ :f сиг

НОРИЯ

ЗУ Г rJ^DHMPIÎT

"СРП

2-000-----

1-950 1.400 1.850 I.SOO 1. 750 Í.700 I-SSO * 1.6,00 i .VO 1-500 1 .450 I • aoo

1. 350 i. 300 I ■ 250 ) ■ 200 1.150 ]. 1 00 1. 050

1.0A0-----

.<NK>

-—J

г - coo l • ?50 1-900 1-350 1.600 t • 750 00

i -450 1.600 1 .550 1 .500 I .450 1-400 1 - 350 1-300 i - 250

i. ?oo

1.150

ыоо 1 .050

)1 ïr^ui T "TTt.

ТЕОРИЯ

эг( nF Pf,1WP 11 !

CXj

".CSU 1 • 960-

1.°го

!. Rao ( .840 1. яоо

1 . 760

1.720

1 . А ПО

1.640

1 . A Oft

1 • 56Ô

1 .520

1 • aeo

1 • .(40 I • 100 ! ■ Г60

> ■ :.2o

1 . '90 t. >40

i. гоо

i. I 60 1 . 120

! , "90 i ■ о 40 1 . i ><Vi-

» * * ч

* *

V it * *

4-

• .'"0 . It i.-i .500 -AOO

.700

-i

-

1.960

i .*?го l.eeo

1.040 l.&OO 1.740 1-720 1.И0 1.640 1.600 1.560 I -520 1.490 1-440 1.400 t-360 1 -320 1 - 290 1-240 1.200 Ы60 1-120 1 - OSO 1 • 040 ! . ООО

*

t

+

*

5

n-

*

*

*

*

»

У

(»Авшкие уменя согласования в - агшмнпюй лч*

ОАВ.ЛКЛ рлаялчйог О ТИПА

МЛУЧАТМЬ nPv(*OVrO!lbllU1

И1*уч»«яь скоиенния

net»

t.SCO----

6. too

t. 700

fc. too 6.500

i. 400 6.300

4.200 6-100 6.000 5.900 5.800

5.700

5,600

5.500 5. <100

5.300 5.200

5.100

5-000 4.900 4.800 4.700 4.600 4.500 4. 400 4.300 4.200 4.100 4.000 З. 900 3.800 3.700 3.600 З.5ОО 3.400 3.300

з.гоо

3.100 3.000 2.400 2*600 2.700 2.600 • ООО 2-400 2.300 2.200 2.100 2.000 1.900 1.900 .ООО 1.600 1.500 1. ¿i .il I. leí) . 000 1.100 1.Of0~

D / L » Ù.12 / 0.7ь5 С / I - 0.24 / 0.765 ¡) / L « 0.40 / 0.765

I s 0-445 Л

H¡)«r a '¿là Ort

Wonï = i'.0 О« Höht S> 90 Ом

ИИУЧАТЕЛЬ N 1

t.. SOG 6-800 6.700 6.600 f. too

6-4Û0 6.300 6-200 fc-ioo 6-000 5.900 5.S00 5.7ОО 5-600 5. 500 5.400 5.300 5.200 5.100 5-000 4.900 4. вСЮ 4.700 4.600 4.500 4.400 4.300 4.200 4.100 А. ООО 3.900 3-000 3.700 3.600 3.500 3-400 3.300 3.200 3.100 3-000 2.900 2-800 2.700 2-600 2.600 2-400 2-300 2. 230

i оо

ООО 900

,000

1 sí ООО

—1 — го.с-оо

c:"-í '■■■-■'J

¡oí ООП

75!ООО

—I

90.000

700 600 500 400 300 1.200 1.100 1 .wo

kroü ГГАЧЙРО'ДЛНИЧ) rr»4.

PuC- f.

-1

«

*

*

+

+

4

+