Электродинамический анализ диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением

Скарлупина, Анна Валентиновна

Электродинамический анализ диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Скарлупина, Анна Валентиновна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электродинамический анализ диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением»

Автореферат диссертации на тему "Электродинамический анализ диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением"

На правах рукописи

СКАРЛУПИНА Ашга Валеитиновна

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИА-ГРАММООБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ СВЧ ЛИНЗ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ПРЕЛОМЛЕНИЕМ

01.04.03- радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону -1998

Работа выполнена в Ростовском ордена «Трудового Красного Знамени» государственном университете

Научные руководители - доктор физико-математических наук,

профессор, академик РАЕН Г.П.Синявский, кандидат физико-математических наук, доцент Н.А.Гальченко Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А.М.Лерер, кандидат фгоико-математичеких наук, доцент М.Б.Мануйлов

Ведущая организация - Ростовское Высшее Военно-командное инженерное училище Ракетных

Войск (РВВКИУРВ).

Защита состоится » О&^оЪ^ 1998 г. в ^¿^часов на заседании диссертационного совета Д 063.52,06 в Ростовском государственном университете (344104, г.Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5,

физический факультет, ауд. 247).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

РГУ (Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская,148).

Автореферат разослан —— I"8 г-

Ученый секретарь диссертационного совета ^

канд. физ.-матем. наук, доцент J

Г.Ф.Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на мировом рынке антенн отмечается усиление внимания специалистов к проблемам, связанным с созданием антенн для спутниковой связи, миниатюризацией наземных антенных систем, использованием компьютеров для обработки данных, использованием систем для автоматического слежения. Особое значение имеет введение строгого контроля за соответствием качественных характеристик новых технологических разработок стоимости изделий. В связи с этим разработчики антенной техники и специалисты в области радиосвязи проявляют значительный интерес к проблемам создания многолучевых антенных решеток (MAP), обладающих высокими рабочими характеристиками и предельно малыми размерами. MAP могут быть успешно использованы в системах космической связи и спутникового телевидения, в системах связи на движущихся объектах (самолеты автомобили, суда) и т.д.

Предъявляемым требованиям наиболее оптимально удовлетворяют MAP, использующие в своей основе диаграммообразую-щие устройства (ДОУ), относящиеся к классу многолучевых СВЧ линз с принудительным преломлением (линзы Ротмана, Рузе, Р-КР и др.). Наиболее интересными являются многолучевые антенные решетки, использующие в своей основе волноводные и микрополос-ковые разновидности радиочастотной линзы, предложенной Романом. Такие устройства позволяют достаточно просто создать практически реализуемые конструкции антенн с двумерной многолучевой диаграммой направленности, имеющие оптимальные характеристики в широком секторе углов сканирования и требуемой рабочей полосе частот.

Простейший вариант линзы Ротмана - плоскопараллельная линза - представляет собой плоский объем, на поверхности которого размещены входные и выходные излучатели. Излучение от первичных облучателей, расположенных на фокальной дуге 2 (рис.1), распространяется между параллельными пластинами к выходным облучателям, образующим задний контур линзы Б . Эта выходные излучатели принимают энергию из области параллельных пластин и направляют ее в коаксиальные (или полосковые) элементы линзы, от которых, в свою очередь, возбуждается линейная антенная решетка. В ДОУ Ротмана внешняя поверхность линзы- плоскость. В других СВЧ линзах, позволяющих, в частности, осуществлять ши-

рокоугольное сканирование луча, вплоть до 360° , выходная поверхность может иметь произвольную форму.

1- входные рупоры,

2- радиочастотные кабели,

3- антенная решетка.

Основополагающие работы по созданию теории ДОУ были созданы в 50-60-е годы. В основу ее положены методы геометрической оптики (лучевая модель), позволяющие приближенно определить фазовое распределение на выходе линз. Строгие методы расчета амплитудного распределения поля на выходе ДОУ, в особенности для микрополосковой технологии, отсутствуют, поэтому неотъемлемой частью исследования и проектирования таких линз до настоящего времени является экспериментальная отработка. В этой связи разработка строгих электродинамических методов анализа характеристик ДОУ является актуальной задачей.

В современных радиотехнических комплексах число независимых лучей MAP может достигать нескольких десятков. Поэтому при описании характеристик устройства целесообразно использовать матричную теорию. В известной литературе отсутствует решение задачи по определению характеристик ДОУ на уровне построения матрицы рассеяния ДОУ.

Построение матрицы рассеяния многополюсника СВЧ, моделирующего ДОУ, является качественно новой задачей современ-

Рис. 1. Плоскопараллельная линза Ротмана

ной техники СВЧ, т.к. требует для своего решения использования методов геометрической оптики при рассмотрении общей структуры устройства и строгих электродинамических методов для расчета характеристик отдельных элементов. Именно с такой точки зрения должно рассматриваться решение ключевых электродинамических задач по расчету матрицы рассеяния СВЧ линз с принудительным преломлением, составляющих основу параметрического синтеза ДОУ.

Целью работы является разработка строгих электродинамических методов анализа диаграмм ообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением и решение задач их параметрического синтеза.

Общая концепция диссертационной работы заключается в создании эффективного электродинамического метода анализа и параметрического синтеза ДОУ на основе СВЧ линз с вынужденным преломлением, решение задач практического конструирования широкополосных ДОУ и создание основ их автоматизированного проектирования.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Разработаны эффективные электродинамические методы исследования характеристик микрополосковых ДОУ на основе СВЧ линз с принудительным преломлением.

2. Решены основные задачи параметрического синтеза ДОУ, включающие в себя:

• определение и оптимизацию внешних характеристик возбуждающих устройств;

• определение характеристик излучения возбуждающих устройств;

• определение матрицы рассеяния ДОУ и MAP с учетом переог-ражения электромагнитных волн;

• инженерную методику расчета геометрического профиля линзы и параметров возбуждающих устройств, позволяющих реализовать требуемое амплитудно-фазовое распределение при допустимых значениях KCTW в заданной полосе частот и минимально возможных размерах.

3. Разработан комплекс программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.

Решена—задача—опреде^шшя_^арактерисгак волнободно-

микрополосковых переходов (ВМП)сучетшГ1»даянйТ~5пер1уры-

раскрыва МПЛ. Разработан метод, алгоритм и программа расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе..

Отличительная особенность предложенного метода расчета дпу чу^пцпт типи (у ч'|чнч"н№м5-чдтг^'л'ннми, чрч°ется полнота и содержательность подхода, включающие в себя ряд принципиально новых моментов, связанных прежде всего с учетом внешних характеристик входных и выходных элементов, а также амплитудно-фазовых характеристик излучателей.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту;

1. Методика исследования характеристик микрополосковых ДОУ на основе СВЧ линз с принудительным преломлением. Методика реализации параметрического синтеза ДОУ. Определяющая роль внешних характеристик элементов при оптимизации рабочего диапазона частот и КПД устройства. Комплекс программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.

2. Установленные в результате анализа электродинамических характеристик излучателей ДОУ физические закономерности, связанные с зависимостью положения их фазовых центров и значений коэффициентов отражения от частоты.

3. Методика и комплекс программ определения характеристик ВМП в приближении заданного тока с учетом влияния диэлектрической подложки и апертуры раскрыва МПЛ. Метод, алгоритм и программа расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе.

4. Установленные закономерности зависимости характеристик ВМП от характера расположения апертуры раскрыва.

Практическая значимость:

В работе получено решение задач практического конструирования широкополосных ДОУ и заложены основы их автоматизиро-

ванного проектирования. Разработанные методы и комплексы программ представляют в настоящее время единственную возможность для конструирования микрополосковых ДОУ с оптимальными характеристиками, минуя дорогостоящую и длительную экспериментальную отработку. Использование полученных результатов позволяет создать систему автоматизированного проектирования широкополосных ДОУ линзового типа, обеспечивающую выполнение заказов на проектирование за несколько дней.

Разработанные программы были предназначены для использования в системах автоматизированного проектирования СВЧ элементов и узлов, созданных во ВНИИ «Градиент» и инженерном центре «Электродинамика» (г. Москва).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1) на областной научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, г. Ростов-на-Дону, 1991 г.;

2) на 1-ой Международной студенческой конференции «Физика и прогресс», г. Санкт-Петербург, 1992 г.;

3) на научно-техническом семинаре «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях. Элементная база технологических установок», г. Саратов, 1992 г.;

4) на XXVII научно-технической конференции «Теория и техника антенн», г. Москва, 1994 г.

5) на научной конференции аспирантов РГУ, г. Ростов-на-Дону, 1994 г.;

6) на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 1996 г.;

7) на VI Международной Научно-технической Конференции «Mathematical Methods in Electromagnetic Theoiy», г. Львов, Украина, 1996 г.;

8) на Международном симпозиуме «On Applied Electromagnetism», Греция, 1996 г.;

9) на научной конференции аспирантов РГУ, г. Ростов-на-Дону, 1996 г.

Публикации, Основные материалы диссертации опубликованы в

13 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем - 200 страниц. Работа содержит 35 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 74 названий на 7 страницах.

Во введении пппгнпнзцЛ !)К | тлгррртаЦИИ- лано

краткое описание диаграммообразующих устройств линзового типа, определены цели работы, охарактеризовано ее содержание и сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и краткий анализ существующих методов анализа и синтеза диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением. Сделан вывод о том, что в настоящее время для анализа характеристик ДОУ линзового типа используются методы геометрической оптики, позволяющие приближенно определить фазовое распределение на выходе линз. Отмечено, что строгие электродинамические методы анализа характеристик микрополосковых ДОУ в известных работах практически не рассматривались, либо рассматривались неполно. Сделано заключение об отсутствии решения задачи на уровне построения соответствующей матрицы рассеяния. Второй раздел главы посвящен обзору электродинамических методов расчета электрических характеристик элементов и узлов ДОУ. Показана актуальность и новизна поставленных и решаемых в диссертационной работе задач.

Во второй главе излагаются принципы, лежащие в основе параметрического синтеза ДОУ, и проводится электродинамический анализ его входных и выходных элементов. Решение поставленной задачи реализуется на основе использования электродинамической модели, при которой расчет таких характеристик возбуждающих элементов, как входная проводимость, диаграмма направленности определяются как для изолированных элементов на основе решения соответствующих дифракционных задач. Электромагнитная связь между входными и выходными элементами определяется как коэффициент передачи мощности между двумя произвольно ориентированными антеннами.

Предложены электродинамические модели входных и выходных элементов. На рис.2.а и 2.6 изображены электродинамиче-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ские модели соответственно входных и выходных элементов ДОУ. Входной элемент представим в виде перехода от микрополос-ковой линии с электрическими боковыми стенками к двум соприкасающимся по общей стенке у=Ь1 плоским волноводам с бесконечно большой шириной 2 Ь. Выходной элемент ДОУ- переход от микрополосковой линии с магнитными боковыми стенками к

таким же двум плоским волноводам.

2Ь

А-А

»Яп.

В-Н

Рис. 2а. Электродинамическая модель входного элемента.

Рис. 26. Электродинамическая ¡модель выходного элемента.

В практических конструкциях коэффициент отражения в горловине элемента значительно меньше коэффициента отра-ткения-в -апертэфе_2=^_Это_поиоляет определить внешние характеристики элементов, матрицу пе]редатаА^^ёрез матрицьгпередачи^А! каскадно соединенных четырехполюсников (одноволиовое приближение):

(1)

где А1 - матрица передачи сочленения регулярной линии с рупорным переходом, А2 - рупорного перехода, АЗ- сочленения рупорного перехода с регулярной линией, А4 - сочленение регулярной линии с плоским волноводом. Матрицы А1 и АЗ легко определяются через параметры эквивалентной схемы перехода регулярной линии передата к симметричной секторной линии, А2 - методом линейных автономных блоков.

Для вычисления матрицы передачи А4 определяется структура электромагнитных полей в экранированной адикрополосковой линии с электрическими и магнитными боковыми стенками и в плоском волноводе. Получено решение дифракционной задачи сочленения полосковой линии с соприкасающимися плоскими волноводами, на основе которого проведен расчет входного сопротивления экранированной микрополосковой линии, возбуждающей плоский волновод:

2 2 в <• (>)ф(*>.(»ф<*>

2°' Ч7, • • 5Л =МС„^у + 2 2 2 2 <>)(-?<> аТЦоо > *-! )=1 1=0

ц=1,2,3,...

(2)

где

«'^"^['''^»Х»*« \zcly,

Решение дифракционной задачи сочленения регулярной линии передачи с плоским волноводом в форме (2) позволяет определить

все необходимые электрические характеристики рассматриваемого элемента: матрицу передачи А4 (входное сопротивление, Ксто), поле в плоском волноводе (диаграмма направленности, коэффициент направленного действия), коэффициент передачи мощности между двумя произвольно ориентированными элементами ДОУ и др.

Проведен расчет волнового сопротивления и фазовой постоянной микрополосковых линий с электрическими и магнитными боковыми стенками, подтвердивший возможность реализации ДОУ с оптимальными характеристиками в требуемом диапазоне частот. В последней части второй главы приведен расчет внешних характеристик элемента возбуждения ДОУ, реализованный путем построения матрицы рассеяния соответствующего элемента. Дано описание метода ЛАБ, использованного для анализа микрополоскового рупорного перехода, позволяющего эффективно решать дифракционные задачи для устройств, содержащих нерегулярные волноведущие структуры с медленно меняющимися параметрами. Приведены данные расчетов матриц рассеяния и К^ входных и выходных элементов ДОУ, показавшие принципиальную возможность построения ДОУ с оптимальными характеристиками в требуемом диапазоне частот. ДОУ с Кац на уровне 1.2:1.3 молото реализовать в диапазоне частот 3:1 и более (рис.3)

Ряс. 3. Типичная зависимость Ксти рупорного перехода от длины волны А..

Т^ОШШ посвящена решению

прием^^едаюшнми элементами ^^Z ^crn

Следование характеристик «W^SSSSoдХшя, 4диаграмма направдеинос-п,'^¡¡^^SZom^

эффекгйвная ^^^^Гп^дачи между вход— и " Жжениями электромагнш-жду эяеме« ^SSTU^ й передающими элемен-

хами ДОУ проводится с иии*«" отдельных, элементов.

Из соотношении (2), занят штграламв.

SÜ-SSU. О». —

зоне):

_ тм cos&cosík,!úa&>~jf ¿¿pl -*í sm2 0' ,<»>» ^ sm20sm0)—т=~3 _ ^ sin2 0>

ní -у л w=0'« *

(j)

На основе сутярован» рядов в (3) получены °oora°— эффициеша шщмяешюк. " ™ ^„,„„„ „злучатаи-

висимоста смещения фазового значен™

чески не отличаются друг от друга.

»N0.5 Й/а=гО

1 2 3 4 5

А/з

Рис. 4. Типичное смещение фазового центра излучателя с маг-нктными боковыми стенками.

В четвертой главе рассматривается решение задачи определения характеристик ВМП. Решена задача определения входного сопротивления ВМП в приближении заданного тока. Приведены результаты расчетов входного сопротивления и Ксти для различных ВМП. Возбуждающий волновод и МГОТ могут быть расположены как во взаимоперпендикулярных, так и в параллельных плоскостях. Показано, что для перпендикулярной ориентации МПЛ относительно волновода Ксти имеет значение не более 1.2 в полосе частот 1314%, а для параллельной - в полосе 35-40%. Из результатов расчета сделан вывод о том, что оптимальная связь микрополосковой линии с прямоугольным волноводом определяется, в основном, подбором глубины погружения зонда и положением короткозамыкателя. Исследованы электрические характеристики различных ВМП с учетом влияния апертуры. Установлено, что для ВМП с перпендикулярной ориентацией МПЛ учет влияния апертуры существенно сказывается на результатах расчета. Влияние апертуры для ВМП с параллельной ориентацией МПЛ мало ощутимо. Проводится сравнение результатов расчета с проведенным экспериментом. Описан расчет плоских неоднородностей штыревого типа строгим электродинамическим методом с помощью построения обобщенной многоволновой матрицы рассеяния. Проводится исследование сходимости решения.

Пятая глава посвящена эаключителшому ского синтеза ДОУ - списывается ^^Гвозбуж-

определение профия*

дакших усвоят, ^Г^^^снованнапосщю^ фазовое распределение на ^^^^дставляется в виде нии матрицы рассеяния. ^ Рассмотрена возмож-

каскадаого соединения с учетом многократ-

ность расчета матрицы рассеяна ус^о^ У инжен

переотражений от ^

методика расчета ДОУ, екотооые ре-

ньтх

ная

в(

ая методика р^* , г< Приведены некоторые ре-_етсгвующий программный комплекс. ирл» а

зультаты анализа ДОУ Ротмана. дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

-дагя: —

возбуждающих элементов. микродалосковой ли-

4. Огфеделено входное дашвл^1^ п

нии, возбуждающей сотфшсас^даеся гш^ & ^

Дены расчеты, элемента в Ре-

ляюшей входного сог^тивл^в б^ щ ^^ ^ ^ альных конструкциях ДОУ от

чения к волновому сопротивлению соответствующей микрополос-ковой линии.

5. Рассчитаны волновые сопротивления и фазовые постоянные микрополосковых линий, в т.ч. с неоднородным диэлектрическим заполнением, что использовано при определении матрицы передачи возбуждающего элемента.

6. Построена матрица рассеяния входных и выходных элементов ДОУ. Составлена программа расчета, с помощью которой проведено исследование KCTW входных и выходных элементов ДОУ. Показана принципиальная возможность построения ДОУ с оптимальными характеристиками в требуемом диапазоне частот. Сделан вывод о том, что ДОУ с Kern на уровне 1.2*1.3 можно реализовать в диапазоне частот с перекрытием 3:1 и более.

?.На основе решения дифракционных задач для отдельных элементов проведен расчет связи между приемными и передающими элементами ДОУ в терминах антенной техники. Проведено исследование характеристик излучения возбуждающих устройств: диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, эффективная поверхность. Выведены формулы для расчета коэффициента передачи между входными и выходными элементами и взаимной связи между элементами, обусловленной переотражениями электромагнитных волн.

8. Впервые разработан метод, алгоритм и программа расчета положения фазового центра микрополоскового (полоскового) рупорного излучателя. Показано, что фазовый центр микрополосковых рупорных излучателей существенно смещен от раскрыва к горловине. Исследованы зависимости смещения фазового центра от длины рупора, ширины раскрыва и длины волны.

9. Решена задача определения входного сопротивления ВМП штыревого типа в приближении заданного тока. Разработан алгоритм и комплекс программ расчета входного сопротивления и К^ ВМП штыревого типа, предусматривающий как перпендикулярную, так и параллельную взаимную ориентацию МПЛ и волновода, который позволяет реализовать параметрический синтез ВМП с оптимальной связью. Установлено, что для перпендикулярной ориентации МПЛ относительно волновода Kc7tf имеет значение не более 1.2 в полосе частот 13-14%, з для параллельной - в полосе 35-40%.

10. Проведен расчет характеристик ВМП с учетом влияния отверстия ввода. Показано, что учет влияния апертуры для ВМП с перпендикулярной ориентацией МПЛ заметно корректирует результаты расчета его характеристик. Для ВМП с параллельной ори-

" мпп влияние апертуры сказывается незначительно, ентациеи МПЛ влияние anepn> расчета подтверждена

—ж =5vi

« выхадиымя коюл» РаОТ" m шип»

ршщ Р»«^^"^^ "S iXtOBKOHiypOB.

основной материал диссертации опубликован в работах-

„ А Шишкина A.B. Определение фазового центра 1. Гальченко H.A., Шишкина * „окладов научио-техн.

мшфополосковых излучагелеи^ Тезисы 1991,

Конференции» посвященной Дню Радио. Ростов над

С б1' тт д Гяпьчешсо Г А Шишкина A.B. Математическая

2 ——- —* *°pu°ä DP°-

да»:f^o, „„^.ания

студенческой конференции «Физика и прогресс», Санкт-Петербург, 1992.

5. Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Шишкина А.В. Разработка методов и алгоритмов параметрического синтеза диаграммообразую-щих устройств. Тезисы докладов научно-техн. Семинара «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях. Элементная база технологических установок.», Саратов, 1992, с.46.

6. Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Скарлупина А.В. Определение входного сопротивления волноводно-микрополосковых переходов. В сб. «Электродинамические функциональные устройства, линии передачи». // Саратов, 1993, с.4-8.

7. Galchenko N.A., Galchenko G.A., Skarlupina A.V. Electrodynamical theory of microstrip beam-forming networks. В мат. XXVII научно-техн. Конференции «Теория и техника антенн», Москва, 1994.

8. Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Шишкина А.В. Основные аспекты электродинамической теории микрополосковых диатраммооб-разующих устройств. Изв. ВУЗов, Радиофизика, t.XXXVII, №4, 1994, с.422-434.

9. Скарлупина А.В. Расчет волноводно-микрополосковых переходов с учетом влияния отверстия ввода. В мат. Конференции аспирантов РГУ, Ростов-на-Дону, 1994.

Ю.Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Скарлупина А.В., Вартаньян С.А. Определение матрицы рассеяния плоских неоднородностей штыревого типа в прямоугольном волноводе. В сб. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», тезисы докладов международной научно-техн. Конференции, Саратов, 1996, ч.1, с.162-164.

11.Galchenko N.A., Galchenko G.A., Skarlupina A.V. The matrix theory of non uniform waveguide structures excitation. В мат. VI Международной Научно-Техн. Конференции «Mathematical Methods in Electromagnetic Theory» MMET-96, Львов, Украина, 1996.

12.Galchenko N., Skarlupina A., Vartanyan S. Method of virtual autonomous blocks in matrix-electrodynamical theory of microwave components. Int. Syrop. «On Applied Electromagnetism», Greece, 1996.

13.Скарлупина A.B., Вартаньян С А Определение S-параметров плоского штыря в прямоугольном волноводе. В мат. Конференции аспирантов PIT, Ростов-на-Дону, 1996.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Скарлупина, Анна Валентиновна, Ростов-на-Дону

I ч л

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Скарлупина Анна Валентиновна

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИАГРАММООБРАЗУЮ-ГЦИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ СВЧ ЛИНЗ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ПРЕЛОМЛЕНИЕМ.

01.04.03-радиофизика.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Синявский Г.П.,

кандидат физико-математических наук, доцент Гальченко Н.А.

Ростов-на-Дону -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введние.............................................................................................. 5

Глава 1. Обзор литературных данных и методов исследования..... 22

1.1. Анализ и синтез диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением................ 22

1.2. Электродинамические методы расчета электрических характеристик элементов и узлов ДОУ..................................... 29

Глава 2. Основные аспекты параметрического синтеза ДОУ на базе микрополосковой линзы Ротмана. Внешние характеристики входных и выходных элементов ДОУ............................................................. 36

2.1. Постановка задачи параметрического синтеза ДОУ...... 36

2.2. Структура электромагнитных полей в экранированной микрополосковой линии с электрическими и магнитными боковыми стенками и в плоском волноводе.............................. 40

2.3. Соединение микрополосковой линии с соприкасающимися плоскими волноводами........................................................... 45

2.4. Входное сопротивление экранированной микрополосковой линии, возбуждающей плоский волновод.............................. 51

2.5. Волновое сопротивление и фазовая постоянная микропо-лосковых линий с электрическими и магнитными боковыми стенками................................................................... 63

2.6. Матрицы передачи и рассеяния входных и выходных элементов ДОУ............................................................................. 65

Выводы..................................................................................... 81

Глава 3. Определение связи между приемными и передающими элементами

ДОУ.................................................................................................... 83

3.1. Диаграмма направленности, коэффициент направленного действия и эффективная поверхность возбуждающих элементов ДОУ..................................................................... 83

3.2. Коэффициент передачи по мощности между двумя произвольными элементами ДОУ.................................................... 91

3.3. Определение положения фазового центра микрополоско-вых рупорных излучателей..................................................... 96

Выводы.................................................................................... 105

Глава 4. Определение характеристик волноводно-микрополосковых переходов.......................................................................................... 106

4.1. Постановка задачи............................................................ 106

4.2. Определение входного сопротивления волноводно-микрополосковых переходов............................................. 109

4.3. Расчет характеристик волноводно-микрополосковых переходов с учетом влияния отверстия ввода.......................... 127

4.4. Определение матрицы рассеяния плоского штыря в прямоугольном волноводе........................................................... 139

Выводы.................................................................................... 145

Глава 5. Параметрический синтез ДОУ. Разработка алгоритмов и программ расчета....................................................................... 147

5.1. Расчет геометрии микрополосковых ДОУ Ротмана........147

5.2. Матричный метод анализа микрополосковых ДОУ........150

5.3. Инженерная методика расчета ДОУ............................... 164

5.4. Расчет основных электрических характеристик ДОУ и MAP. Статистический анализ............................................ 169

Выводы.................................................................................... 173

Заключение....................................................................................... 175

Литература........................................................................................ 180

Приложение...................................................................................... 188

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на мировом рынке антенн отмечается усиление внимания специалистов к проблемам, связанным с созданием антенн для спутниковой связи, миниатюризацией наземных антенных систем, использованием компьютеров для обработки данных, использованием систем для автоматического слежения. Особое значение имеет введение строгого контроля за соответствием качественных характеристик новых технологических разработок стоимости изделий. В связи с этим разработчики антенной техники и специалисты в области радиосвязи проявляют значительный интерес к проблемам создания многолучевых антенных решеток (MAP), обладающих высокими рабочими характеристиками и предельно малыми размерами. MAP могут быть успешно использованы в системах космической связи и спутникового телевидения, в системах связи на движущихся объектах (самолеты автомобили, суда) и т.д.

Предъявляемым требованиям наиболее оптимально удовлетворяют MAP, использующие в своей основе диаграммообразую-щие устройства (ДОУ), относящиеся к классу многолучевых СВЧ линз с принудительным преломлением (линзы Ротмана, Рузе, Р-КР и др.). ДОУ линзового типа является системой с широким полем обзора. Такая система коллимирует с очень высоким качеством все лучи от источника излучения с различными углами падения в широком пространственном секторе углов. В ДОУ линзового типа могут быть реализованы одновременно несколько углов сканирования, образующих коллимированные с высоким качеством лучи. ДОУ на основе СВЧ линзы является более простой и более удобной, чем

фазированная антенная решетка, сканирующей антенной, не требующей никакой математической обработки сигналов отдельных элементов. В линзовых антеннах сравнительно легко создать такое распределение поля по раскрыву, которое обеспечит диаграммы направленности с малыми уровнями боковых лепестков (-30 дБ и ниже). Линзы нетрудно сделать апланатическими, что позволит осуществить качание диаграммы направленности в пределах большого сектора углов. ДОУ линзового типа без перестройки работают в широкой полосе частот. С их помощью нетрудно создать диаграмму направленности заданной формы. Линзы одинаково хорошо работают как на линейно-поляризованной волне, так и на волне с круговой поляризацией.

Наиболее интересными являются многолучевые антенные решетки, использующие в своей основе волноводные и микрополос-ковые разновидности радиочастотной линзы, предложенной Ротма-ном [1]. Такие устройства позволяют достаточно просто создать практически реализуемые конструкции антенн с двумерной многолучевой диаграммой направленности, имеющие оптимальные характеристики в широком секторе углов сканирования и требуемой рабочей полосе частот.

направляют ее в коаксиальные (или полосковые) элементы линзы, от которых, в свою очередь, возбуждается линейная антенная решетка. В ДОУ Ротмана внешняя поверхность линзы- плоскость. В других СВЧ линзах, позволяющих, в частности, осуществлять широкоугольное сканирование луча, вплоть до 360° , выходная поверхность может иметь произвольную форму.

ДОУ рассмотренного типа в общем случае состоит из набора приемных элементов, расположенных вдоль контура Е и набора передающих элементов, лежащих на контуре Х^. Если на один из приемных элементов поступает сигнал, то, благодаря геометрии линзы, передающая антенная решетка излучает узкий луч в направлении, определяемом положением точки возбуждения.

Рисунок 1. Плоскопараллельная линза Ротмана

1- входные рупоры,

2- радиочастотные кабели,

3- антенная решетка.

Построение матрицы рассеяния многополюсника СВЧ, моделирующего ДОУ, является качественно новой задачей современной техники СВЧ, т.к. требует для своего решения использования методов геометрической оптики при рассмотрении общей структуры устройства и строгих электродинамических методов для расчета характеристик отдельных элементов. Именно с такой точки зрения должно рассматриваться решение ключевых электродинамических задач по расчету матрицы рассеяния СВЧ линз с принудительным преломлением, составляющих основу параметрического синтеза ДОУ.

ЦЕЛЬЮ настоящей работы является разработка строгих электродинамических методов анализа диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением и решение задач их параметрического синтеза.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Разработка эффективных электродинамических методов исследования характеристик микрополосковых ДОУ типа линз Ротмана.

2. Решение основных задач параметрического синтеза ДОУ, включающих в себя:

• определение и оптимизацию внешних характеристик возбуждающих устройств (волновое сопротивление, фазовая постоянная, матрица передачи, матрица рассеяния, коэффициент отражения, коэффициент передачи);

• определение характеристик излучения возбуждающих устройств (диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, эффективная поверхность, фазовый центр);

• определение коэффициента передачи между входными и выхо-дыми элементами и исследование взаимной связи между элементами, обусловленной переотражением электромагнитных волн;

• определение матрицы рассеяния ДОУ и MAP с учетом переотражения электромагнитных волн;

• разработку инженерной методики расчета геометрического профиля линзы и параметров возбуждающих устройств, позволяющих реализовать требуемое амплитудно-фазовое распреде-

ление при допустимых значениях Ке7£^ в заданной полосе частот и минимально возможных размерах.

3. Разработка комплекса программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.

4. Определение характеристик волноводно-микрополосковых переходов (ВМП) в приближении заданного тока с учетом влияния апертуры раскрыва микрополосковой линии (МПЛ). Разработка метода, алгоритма и программы расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе.

Практическая значимость такой работы обусловлена низкой точностью выпускаемой радиоизмерительной аппаратуры, сложностью технологии изготовления микрополосковых элементов, не позволяющей достигнуть оптимальных характеристик ДОУ путем экспериментальной отработки. Поэтому высокое качество устройств может быть реализовано только на основе разработки достаточно строгих электродинамических методов расчета характеристик его основных элементов. Разработанные методы и комплекс программ представляют в настоящее время единственную возможность для получения таких характеристик.

Для расчета внешних характеристик входных и выходных элементов ДОУ необходимо создать соответствующие электродинамические модели. Решение поставленной задачи реализуется на основе использования электродинамической модели, при которой расчет таких характеристик возбуждающих элементов, как входная проводимость, диаграмма направленности определяются как для изолированных элементов на основе решения соответствующих дифракционных задач. Решение дифракционной задачи сочленения рупорного перехода с соприкасающимися плоскими волноводами позволяет рассчитать все необходимые электрические характеристики рассматриваемого элемента. В этой связи, необходимо определить структуру электромагнитных полей в экранированной микро-полосковой линии с электрическими и магнитными боковыми стенками, для чего использован метод Шварца. Электромагнитное поле в плоском волноводе рассматривается в терминах ЬЕ- и ЬМ-волн. На основе полученного решения строится расчет входного сопротивления экранированной микрополосковой линии, возбуждающей плоский волновод. Расчет волнового сопротивления и фазовых постоянных микрополосковых линий с электрическими и магнитными боковыми стенками проводится с помощью метода эквивалентной замены. Построенные электродинамические модели входных и выходных элементов ДОУ позволяют провести расчет внешних характеристик элементов посредством определения соответствующих матриц рассеяния. Метод линейных автономных блоков (ЛАБ), использованный для расчета матрицы передачи рупорного перехода, позволяет избежать численного решения СЛАУ высокого порядка.

Еще одной важнейшей задачей является расчет связи между приемными и передающими элементами ДОУ, включающий в себя исследование характеристик излучения возбуждающих устройств. Электромагнитная связь между входными и выходными элементами определяется как коэффициент передачи мощности между двумя произвольно ориентированными антеннами.

В ДОУ линзового типа необходимо реализовать идеальную фокусировку лучей в нескольких точках. Реально этого можно добиться, только зная фазовые центры излучателей. Используемые на практике экспериментальные методы определения фазового центра рупорного излучателя путем определения его фазовой диаграммы в случае микрополосковой технологии являются малоэффективными, так как требуют решения сложной задачи по определению отражения и рассеяния электромагнитных волн в пространстве между исследуемым излучателем и совокупностью измерительных излучателей-зондов. Поэтому полученное аналитическое решение задачи определения положения фазового центра излучателей на микрополос-ковых линиях с электрическими и магнитными боковыми стенками на основе разложения диаграмм направленности в степенной ряд существенно повышает эффективность разработанного метода параметрического синтеза ДОУ.

Анализ и параметрический синтез многолучевых антенных решеток (MAP) на основе ДОУ реализуется путем построения матрицы рассеяния соответствующего устройства. Поэтому для полноты рассмотрения необходимо решить задачу определения характеристик волноводно-микрополосковых переходов (ВМП), которые могут быть включены в соединительные тракты MAP. Задача опре-

деления характеристик ВМП относится к числу достаточно сложных электродинамических задач. Для определения входного сопротивления ВМП штыревого типа используется приближение заданного тока. Для решения задачи возбуждения, учитывающей влияние диэлектрического вкладыша, использовался метод эквивалентной замены. На основе расчета входного сопротивления мик-рополоскового зонда, возбуждающего согласованный с двух сторон волновод, путем построения соответствующей эквивалентной схемы определены характеристики реальной конструкции ВМП. Для учета влияния отверстия ввода в электродинамическом рассмотрении помимо электрического тока штыря учитывается и магнитный ток в раскрыве сочленения микрополосковой линии и волновода. Разработан также строгий электродинамический метод расчета плоских неоднородностей штыревого типа, который основан на решении интегрального уравнения, полученного из условия обращения касательных к поверхности штыря составляющих полного электрического поля в нуль.

Параметрический синтез ДОУ с оптимальными параметрами реализуется на основе построения матрицы рассеяния устройства, которое представляется в виде каскадного соединения многополюсников. Предлагаемый метод дает возможность анализировать и управлять не только фазовыми, но и амплитудными характеристиками распределения поля на выходе устройства. При этом расчет проводится с учетом реальных характеристик диаграмм направленности излучателей, а также отражени