Электродинамика излучающих микрополосковых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

"Для служебного пользования "

Зкз.^АЗ

На правах рукописи

НЕЧАЕВ ЮРИЙ БОРИСОВИЧ

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ИЗЛУЧАЮЩИХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ

СТРУКТУР

01 .(И.ОЗ.-Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Воронеж -1995

^ У / У /Х /

Работа выполнена в Воронежском научно-исследовательском институте "Вега"

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, академик АИН РФ Б.А.Панченко

Официальные оппоненты:

1 .Нефедов Евгений Иванович - доктор физико-математических

наук, профессор, академик АИН РФ и Международной академии

информатизации, г.Москва, Институт радиотехники и электроники АН РФ

2.Раевский Сергей Борисович - доктор технических

наук,профессор, академик АИН РФ, г.Нижний Новгород, технический университет

3.Корчагин Юрий Александрович - доктор физико-

математических наук, профессор, г.Воронеж, Воронежский

госуниверситет.

Ведущая организация - Московский Государственный

Технический Университет

им.Н.Э.Баумана

Защита состоится 1995 г. $тасов на заседании

диссертационного совета Д.063.48.06 в Воронежском государственном университете по адресу: 394693, г.Воронеж, Университетская пл. 1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ВГУ

Автореферат разослан " " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических

наук, профессор, _/ Э.К.Алгазинов

- «5 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние и развитие систем подвижной радиосвязи (СПР) требуют постоянного со-вершенствойания и повышения качества приемопередающей (ПРМ-ПРД) радиоаппаратуры и антенно-волноводных устройств (АВУ), в том числе улучшения энергетических показателей, электромагнитной совместимости, повышения надежности, технологичности, снижения массо-габаритных показателей, ремонтопригодности, малой стоимости и др.

АВУ в значительной степени определяют качество и устойчивость УКВ связи с подвижными объектами (ПО) и играют важную роль в обеспечении энергетического потенциала радиоканала. На протяжении многих лет при разработке СПР основное внимание уделялось ПРМ-ПРД аппаратуре, где наиболее эффективно можно было добиться реального результата, увеличивая мощность передатчика, чувствительность приемника и т.д. В настоящее время для большинства основных параметров ПРМ-ПРД аппаратуры достигнуты значения, близкие к фундаментальным пределам [Л1,Л2]. В то же время исследование и разработка перспективных АВУ позволяют без существенного усложнения аппаратуры достичь качественно новых параметров СПР. Наряду с улучшением энергетических характеристик все более актуальной становится проблема стоимости и надежности АВУ. Для систем правительственной, специальной связи вопросы надежности гарантировались высокой стоимостью разработок и изготовления. В случае использования СПР в народном хозяйстве для широкого круга потребителей потребность в легких, низкосилуэтных, конформных и недорогих АВУ становится все более актуальной.

Относительно низкий частотный диапазон, жесткие требования к массо-габаритным показателям, надежности, стоимости, потребность размещения большого количества радиосредств в ограниченном объеме, присущие СПР, требуют исследования и разработки малогабаритных низкопрофильных излучающих структур (ИС) и антенных решеток (АР) на их основе [ЛЗ-Л5].

Малогабаритные низкопрофильные ИС, в частности, пол-осковые, микрополосковые (МП) и щелевые антенны (А), получили широкое распространение в технике [Л6-Л8]. В отечественной литературе одними из первых работ, посвященных МПА, были [Л9,Л10]. Большой вклад в развитие теории и техники А и АР, в частности, полосковых, внесли чл.-корр. РАН Л.Д.Бахрах, проф. А.Ф.Чаплин, проф. Д.И.Сазонов, проф., академик АИН РФ Б.А.Панченко, проф., академик АИН РФ Е.И.Нефедов и др. Значительное место в этом ряду занимают проф. Д.И.Воскресенский и его коллеги: проф. В.С.Филиппов, проф. В.Л.Гостюхин и др. В последнее время разновидности практи

ческих конструкций и область применения МП ИС заметно расширились. Теоретические исследования были направлены, с одной стороны, на применение более строгих методов решения соответствующих электродинамических задач с учетом дополнительных возможностей современной вычислительной техники, а с другой - на построение более полных (хотя иногда и более сложных) физических моделей МП ИС, учитывающих принципы действия и особенности практического исполнения.

Имеется несколько подходов к рассмотрению МП ИС, однако общего, универсального метода не существует, что определяется большим разнообразием форм элементарных излучателей [JI9]. И если дисковый излучатель допускает в принципе подход с разделением переменных (гл.2, [19,20,21]),то прямоугольный излучатель - только приближенное разделение переменных, а кроме того, здесь исследователи встречаются с нерешенной проблемой дифракции на четвертьплоскости [J19].

Исторически первым типом МП излучателя был, повиди-мому, прямоугольный излучатель [J16-JI10], который представляет собой классический пример конечной структуры [Л 10]. Строгого решения такие задачи не имеют и получение пригодного решения зависит от квалификации исследователя. Для резонансного случая развит метод резонансного знаменателя Фредгольма [Jlli,JI]2], позволяющий получить решение с наперед заданной точностью. Строгое решение для ключевой (полубесконечной) структуры было получено сравнительно недавно [JI12], а именно оно позволяет глубоко разобраться в физике явлений, без чего невозможно получить сколько-нибудь осмысленные результаты. Одним из таких результатов является зависимость резонансной длины прямоугольного МП излучателя от его ширины [JI9]. Другим принципиальным моментом строгого решения ключевой задачи является двоякая реакция (емкостная и индуктивная) открытого конца МП линии, являющегося основой для построения теории как прямоугольного МП излучателя, так и дискового (на высших типах колебаний по азимуту) (см. п.2.3, [24-26]). Без учета результатов строгой теории дифракции волны при ее косом набегании на открытый конец ключевой структуры невозможна правильная интерпретация результатов любых численных и численно-аналитических методов. Большую группу методов анализа МП излучающих структур составляют численно-аналитические методы прикладной электродинамики, в частности, метод полуобращения, последовательно развиваемый харьковскими радиофизиками. Большой вклад в развитие одного из вариантов метода полуобращения - операторного метода, внесли академик HAH Украины Л.Н.Литвиненко, проф. С.Л.Просвир-

нин, академик HAH Украины В.П.Шестопалов, их коллеги и ученики [Л13,Л14]. Так, использование спектрального подхода в теории дифракции волн позволило построить строгий численно-аналитический метод, дающий возможность единообразно строить решения задач дифракции волн на периодических и ограниченных плоских экранах [Л 14]. Применительно к теории АР, в том числе полосковых, спектральный метод развит в работах А.Ф.Чаплина [Л15] и в [Л16-Л18]. Однако алгоритмы расчета даже отдельных излучающих элементов, основанные на строгих методах, зачастую оказываются очень сложными и, кроме того, имеются трудности принципиального характера, например, отсутствие в настоящее время численно-аналитического метода решения задачи дифракции волн на прямоугольной пластине и ленте (щели) конечной ширины [Л 11,Л12].

Интересным и эффективным подходом к анализу МП ИС является метод тензорных функций Грина, широко используемый за рубежом, но, к сожалению, не нашедший широкого распространения в нашей стране [Л19.Л20]. Метод тензорных функций Грина в определенной степени формален, что затрудняет его использование в «инженерной» практике. Некоторые сходные по своей идеологии подходы нашли свое применение при анализе сложных многослойных структур, включающих слои с анизотропными свойствами [Л21,Л22], которые находят самое широкое применение в теории и технике объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ [Л21Д23-Л25].

В [Л16,Л18,Л19,Л26] показано, что существенного упрощения в электродинамическом описании МП ИС удается достичь при использовании приближения заданного распределения плотности поверхностного тока на излучателях, однако обоснование применимости приближения заданного тока в электродинамической теории МП ИС в литературе практически отсутствует.

Одной из важных проблем в теории и практике МП ИС является учет конечных размеров подстилающей поверхности. Первые работы по учету конечных размеров подложки выполнены в приближении геометрической теории дифракции [Л27,Л28]. Новые теоретические и экспериментальные результаты содержатся в [Л29.Л31].

Следует отметить, что традиционно до настоящего времени основная частотная область использования излучающих полосковых и МП структур, в частности, А и АР, - это сантиметровый и миллиметровый диапазоны длин волн.

Таким образом, совершенствование современных СПР УКВ диапазона общего и специального назначения выдвинуло в области теории и техники малогабаритных низкопрофильных И С ряд актуальных задач.

Цель работы - разработка и исследование электродина мических моделей полосковых излучающих структур, методо электродинамического анализа характеристик излучения учетом влияния ограниченных размеров подстилающей повер хности и краевых эффектов, создание на их основе комплекс программ автоматизированного проектирования и расчета пер спективных малогабаритных низкопрофильных излучателей антенных решеток.

Решение научной проблемы, связанной с поставленно целью, включает в себя следующие задачи:

1. Создание эффективных моделей двумерных полосковы ИС на электродинамическом уровне строгости.

2. Обоснование применимости приближения заданног распределения плотности поверхностного тока в электроди намической теории МП ИС.

3. Решение краевой задачи в строгой электродинами ческой постановке о распределении электромагнитного пол в структурах, электродинамические свойства которых близк к свойствам МП ИС с элементарными излучателями в вид тонкой ленты и круглого тонкого диска.

4. Получение и обоснование математических моделе дискового полоскового излучателя при осесимметричном во: буждении и одиночного прямоугольного излучателя на I и 1 модах тока.

5. Учет краевых эффектов в двумерных полосковых струк турах.

6. Исследование излучения МП антенных структур н подложках ограниченных размеров, изучение взаимодействи элементов в многоэлементных МП ИС.

7. Экспериментальное моделирование перспективны полосковых излучающих структур и антенных решеток.

Метод исследования. Основные теоретические резуль таты работы базируются на строгих методах электродинами ки, аппарате тензорных функций Грина, методах математи ческой физики и вычислительной математики (метод интег ральных уравнений и их систем в сочетании с методом Бубне ва-Галеркина). Использован спектральный метод: функци Грина, поле излучения, плотность тока представлены в вид разложений в интегралы Фурье и Фурье-Бесселя.

Научная новизна работы состоит в разработке электро динамических моделей полосковых ИС, последовательном раз витии методов полуобращения оператора краевой задачи приближения заданного распределения тока применительно двумерным задачам о МП ИС, учете краевых эффектов, иссле довании характеристик излучения МПА на подложках ограни ченных размеров, что позволило создать ряд оригинальны малогабаритных низкопрофильных излучателей с улучшенным

электрическими и массо-габаритными характеристиками для СПР УКВ диапазона. Развитые теоретические модели и методы математического моделирования пригодны также для антенн СВЧ и КВЧ.

Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать новые научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Эффективные на электродинамическом уровне строгости математические модели двумерных МП ИС, пригодные для включения в соответствующие САПР.

2. Доказательство применимости приближения заданного распределения плотности поверхностного тока в электродинамической теории МП ИС; оценка точности результатов.

3. Строгое электродинамическое решение краевой задачи о распределении электромагнитного поля в структурах, электродинамические свойства которых близки к свойствам МП ИС с элементарными излучателями в виде тонкой ленты и круглого тонкого диска.

4. Эффективные математические модели дискового пол-оскового излучателя при осесимметричном возбуждении и одиночного прямоугольного излучателя на I и II модах тока.

5. Предложение, обоснование и разработка методики учета взаимного влияния элементов в системе из дисковых малогабаритных низкопрофильных излучателей на осесиммет-ричной моде тока и АР из прямоугольных МП излучателей.

6. Методика и результаты оценки влияния обрыва экрана и подстилающей поверхности в виде диэлектрического слоя на характеристики излучения широкого класса МП ИС.

7. Пакет прикладных программ анализа и расчета основных характеристик МП ИС и устройств на их основе, являющихся базой для создания САПР полосковых излучающих структур.

8. Схемотехнические решения перспективных малогабаритных низкопрофильных излучателей для дуплексных систем связи УКВ диапазона, а также полосковая сканирующая АР УКВ диапазона с устройством управления ДН по заданному алгоритму для ПСС и многолучевая кольцевая АР для СПР с повышенной помехозащищенностью и возможностью сканирования лучом в азимутальной плоскости.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:

соответствием (адекватностью) разработанных и исследованных электродинамических моделей изучаемым физическим процессам;

использованием обоснованных в теории и на практике методов расчета МП ИС;

подтверждением ряда теоретических результатов проведенными экспериментальными исследованиями;

соответствием приведенных результатов их известные аналогам и необходимым переходам к ключевым задачам;

разработками практических конструкций низкопрофильных малогабаритных излучателей с реальными рабочими параметрами и проверкой разработанных устройств по научно-технической, конструкторско-технологической и экономической эффективности внедрения в производство.

Практическая ценность работы заключается: в разработке математических, физических и расчетньо моделей, более полно, чем существующие, отражающих электродинамические свойства МП ИС и пригодных для примененш в задачах анализа и синтеза полосковых структур и устройств на их основе;

в получении оригинальных аналитических решений, ш основе которых построена обоснованная и эффективная методика «инженерных» расчетов МП ИС;

в обосновании применимости приближения заданногс распределения плотности поверхностного тока в электродинамической теории МП ИС, позволяющего более эффективнс исследовать полосковые структуры с оценкой точности результатов;

в разработке математических моделей, алгоритмов \ программ расчета излучателей, имеющих осесимметричную ДЬ с максимумом, близким к плоскости излучателя;

в изучении влияния конечности экрана и диэлектрической подложки на характеристики излучения полосковых излучателей, в частности дисковых антенн, которые могут быт! использованы на подвижных объектах связи;

в создании и внедрении методики учета взаимодействш отдельных излучателей в малоэлементной АР;

в разработке схемотехнических решений перспективны) малогабаритных низкопрофильных излучателей для дуплексные СПР УКВ диапазона, полосковой сканирующей АР для ПО связ! с устройством управления ДН по заданному алгоритму и многолучевой кольцевой АР с повышенной помехозащищенностью \ возможностью сканирования лучом.

Технические решения на малогабаритные излучатели \ построенные на их основе антенные системы защищены 9 па тентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Полученные в диссертационной работе результаты используются при разработке АВУ в системах подвижной радио связи как специального, так и общего назначения.

Реализация результатов и предложения об использова нии. Результаты диссертационной работы внедрены и напил практическое использование на ряде предприятий оборонно]

- з —

и радиотехнической промышленности. Основные результаты использовались в Воронежском НИИ «Вега» при проведении НИОКР «Айва 2К», «Аргунь», «Акведук», «Сапфир», «Репетиция», «Астра-K», «Астра-КМ», «Кавказ-9» и ряда других, выполненных в соответствии с Постановлением Инстанций, и внедрении этих НИОКР в серийное производство на базе акционерного общества «Электросигнал». В настоящее время НИИ «Вега» выполняет опытно-конструкторскую разработку «К-7М10» в соответствии с решением Инстанций от 25.08.89 №342, в которой результаты диссертационной работы явились основой при проектировании АВУ разрабатываемой СПР.

Так для ПО СПР используются антенные устройства, разработанные по A.c. №1756993, №1775772. Для стационарных и центровых узлов связи реализуется патент №1827044.

Антенная система для ПО строится по принципу, изложенному в A.c. №309306.

При построении антенных устройств изделия «Кавказ— 9», включающего в себя РТ-4, РТ-5, РТ-8, РТ-9, реализовано A.c. №1778827.

На основе разработанных алгоритмов и программ расчета АСУ проведена модернизация ряда идущих в серийном производстве изделий, в частности, антенных устройств изделий «Альфа», что повысило их надежность, а также значительно снизило трудоемкость регулировочных работ.

Все серийно выпускаемые изделия успешно эксплуатируются на объектах Заказчика.

Тематика проводимых исследований и выполненных разработок соответствует Решению Инстанций, от 03.06.85 за №563-173 по темам «Айва 2К», «Аргунь», от 19.06.86 за №741-208 по теме «Акведук», от 27.04.89 за №73 по теме «Сапфир», от 22.07.83 за №678-212, от 08.05.84 за №142, от 03.12.87 за №565 и приказам Министерства от 17.03.84 за Лгз262, от 30.12.87 за №592 по теме «Кавказ-9», от 25.09.89 за №342 по теме «К-7М10» и ряду других.

Теоретические и практические результаты диссертации внедрены в НИИ «Вега» (г. Воронеж), АО «Электросигнал» (г. Воронеж), НПВФ «Банкомсвязь» (г. Киев), Радиоастрономическом институте HAH Украины (г. Харьков), службах эксплуатации в/ч 32152, в/ч 11232. Суммарный годовой экономический эффект составил 1,336 млн.руб. (в ценах 1990-1991 года), что подтверждено актами о внедрении.

Открытые результаты работы нашли применение в учебном процессе Уральского государственного технического университета им. С.М.Кирова в лекционных курсах «Техническая электродинамика», «Фазированные антенные решетки», при курсовом и дипломном проектировании, а также в аналогичных курсах в Московском институте радиотехники, электроники и

связи (техническом университете).

Внедрение результатов диссертационной работы и продолжение работ по развитию электродинамических методов анализа и синтеза полосковых излучающих структур, созданию конформных антенных устройств следует рекомендовать в АО «Электросигнал», НПО «Заря», ФСК, ФАПСИ, Министерстве обороны, ВГУ, УГТУ, Харьковском Радиоастрономическом институте HAH Украины и ряде других институтов и организаций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

Научно-практич. конф. «Интегральные волноводные и полосковые СВЧ элементы систем связи» (Куйбышев, 1987);

Республ. науч.-техн. конф. «Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости» (Винница, 1987);

XVI, XVII отраслевых науч.-техн. конф. (Воронеж, 19871989);

Всес. науч.-техн. конф. «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов» (Горький, 1989);

VII Всес. науч.-техн. конф. «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры» (Ленинград, 1989);

III Всес. науч.-техн. конф. «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах» (Суздаль, 1989);

V Всес. школе-семинаре «Математическое моделирование, САПР и конструктивно-технологическое проектирование ОИС СВЧ и КВЧ диапазонов» (Тула, 1990);

Международном симпозиуме «Разработка и использование персональных ЭВМ - ИНФО 89» (Минск, 1989);

31, 46-й Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 1976, 1991);

Межрегиональной науч.-техн. конф. «Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования» (Ленинград, 1991);

IV Всес. науч.-техн. конф. «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС)» (Волгоград, 1991);

« Progress in Elektromagnetics Research Symposium » (Cambridge, Massachusetts, 1991, USA);

науч.-техн. конф. «Функциональные электродинамические системы и элементы» (Саратов, 1988);

II Всес. науч.-техн. конф. «Устройства и методы прикладной электродинамики» (Одесса, 1991);

— а —

науч.-техн. конф. «Методологические, информационные и изобретательские аспекты научных исследований в области создания объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ и КВЧ» (Тула, 1991);

Всес. науч.-техн. семинарах «Технические средства обеспечения ЭМС подвижной службы связи» (Севастополь, 19881991);

XXVI науч.-техн. конф. по теории и технике антенн (НИИ радиофизики им. акад. А.А.Расплетина (Москва, 1990);

семинаре-конф. в Государственном оптическом институте (Казань, 1991);

Региональном совещании «Математическое моделирование и САПР устройств СВЧ на микрополосковых структурах» (Таганрог, 1991);

Всес. науч.-техн. конф. «Современные проблемы фазо-измерительной техники и ее применение» (Красноярск, 1989);

VI Межгосударств, школе-семинаре «Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ» (Москва, 1992);

Всероссийском семинаре-совещании «Системы сверхбыстрой обработки информации (ССОИ) на СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС) (Псков.-Пушкинские горы, 5-10 июня, 1993);

XXVII науч.-техн. конф. по теории и технике антенн ТТА «94» (АООТ «Радиофизика», Москва, 1994).

Публикация результатов работы. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 72 научных трудах, изданных центральными и республиканскими издательствами, вошедшими в списки, утвержденные ВАК РФ. Среди опубликованных работ - 3 монографии, 2 учебных пособия, 9 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 24 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация оформлена в двух томах: основной и приложения. Основной том состоит из предисловия, введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (167 наименований), содержит 251 стр. основного текста, 142 рисунка на 141 стр. список литературы на 17 стр. Дополнительный том состоит из пяти приложений, включая акты внедрения, содержит стр.

текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор современного состояния вопроса, обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, перечислены основные результаты, выводы и рекомендации, выносимые на защиту.

В первой главе «Спектральный метод в двумерных задачах о микрополосковых излучающих структурах. Обоснование

применимости приближения заданного распределения поверхностного тока» на основе строгого численно-аналитического метода - метода полуобращения оператора краевой задачи и приближения заданного распределения плотности поверхностного тока рассмотрена двумерная ленточная модель МП АР с синфазным распределением тока вдоль металлических лент. Обоснование применимости приближения заданного распределения плотности поверхностного тока выполнено путем сравнения результатов его использования с результатами, полученными с помощью строгих методов в эталонных задачах, и с известными экспериментальными данными,-

Модель решетки представляет собой металлические ленты шириной 2d, расположенные на магнитодиэлектрическом слое (с диэлектрической s и магнитной // проницаемостями) толщиной h, лежащем на идеально проводящем экране (плоскость z=0). Число лент равно М+N+l, уп - координата середины ленты с номером п по оси OY.

Исследован случай возбуждения структуры некоторым сторонним полем £, которое приводит к появлению токое с поверхностной плотностью /Л>Ы, текущих по лентам.

Для строгого электродинамического решения задачи применен спектральный метод в комбинации с выделением сингулярной части функции Грина в выражении для собственны) сопротивлений.

Показано, что если вдоль металлических лент течет ток с поверхностной плотностью У(лЧг), в области 2 (в свободном пространстве) возникает электромагнитное поле, электрическую составляющую которого можно найти по формуле:

л М °о~ iy^h-z) _1К у

I%{jr.z) = -±k2^ I ]■/">(*,). e c 'dKy, (I!

и— ~/V -co W\ + Yictgnh

где

л

k = y^jk2-^, у2 ~ Ky> Z0 =120 я- Ом

/"'(лг^-фурье-амплитуда плотности тока /п)(у), текущего пс п-ой ленте.

Плотность поверхностного тока может быть однозначне определена, если потребовать выполнения граничного условия

Ех + £х =0 ПРИ на лентах, (2

т.е. поставить и решить краевую задачу о возбуждении структуры СТОрОННИМ ПОЛеМ ~Е = 7хЕ%(у,г). ■

Используя разложение тока с поверхностной плотностьк

/л'{у) по полной ортогональной системе специальным образом выбранных базисных .функций, учитывающих особенности тока на ребрах лент, получена система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неизвестных коэффициентов

плотности тока на лентах, где правые части системы уравнений зависят от способа возбуждения структуры, а левые - содержат взаимные сопротивления лент с номерами

п и ш (л,я; е[-УЧ Л/]) на гармониках тока а и (3 {а,Р е[0,оо]). Если ш=п, то - собственные сопротивления п-ой ленты

на гармониках тока а и В .

В нахождении матрицы практически заключается

решение всей электродинамической задачи, причем

^ф = щ %)/<)/а (Ур (П4 )---■ (3)

где = , (4)

Ц=Ы Утп= {Ут~Уп!/^ , -функ-

ция Бесселя.

Для собственных сопротивлений (3) принимает вид:

00

7Щ (5)

Выполнив преобразования для улучшения сходимости несобственного интеграла, окончательно получим:

00 г]Р

. (6)

И

О Ь

а= 1,2,...,/?= 1,2,...,

2Р

'(7)

где ) = 1 + ^ п - символ Кронекера.

^ ' /(£) &>Р>

Подынтегральная функция в (7) с возрастанием аргумента убывает как £ ~4 , поэтому вычисление (7) на ЭВМ не

представляет трудностей.

Из (7) следует, что элементы на главной диагонали

матрицы Е^ф и вне ее с возрастанием индексов имеют такую зависимость от от vs.fi, что с помощью введения новых неизвестных Л^ = /а' -/а бесконечная СЛАУ приводится к виду системы уравнений второго рода. Оператор этой системы уравнений фредгольмового типа, следовательно, для ее решения можно применить метод редукции. Возможность получения СЛАУ второго рода с фредгольмовым оператором обусловлена тем, что выбранная система базисных функций позволяет выделить и обратить в явном виде статическую часть оператора задачи дифракции Е-поляризованной волны на одной ленте.

В работе используется подход, позволяющий аналитически вычислить с заданной точностью вклад подынтегральной функции при больших значениях аргумента и оценить погрешность, вносимую отброшенным остатком. Остальная часть интеграла вычисляется на ЭВМ в конечных пределах с помощью квадратурной формулы Гаусса. Основное преимущество такого подхода по сравнению с непосредственным использованием (3) и (6) заключается в том, что для достижения точности результатов вычислений не хуже одного процента достаточно выбрать верхний предел при численном интегрировании порядка 15, а в ряде случаев он может быть и ниже.

Следует отметить, что подход, базирующийся на использовании преобразования Куммера для улучшения сходимости при больших аргументах, не дает здесь желаемых результатов, поскольку асимптотики подынтегральных выражений в (3) и (6) не интегрируются в явном виде, а приводят к интегральным синусам и интегральным косинусам.

Анализ поведения подынтегральной функции /(£) на интервале интегрирования (0,оо) позволяет разбить его в (3) и (6) следующим образом:

оо 1 т А со

](■■■)<*£+ . (8)

О 0 1 . А

Вид функции /(£) на каждом интервале интегрирования показывает, что в действительную часть взаимных и собственных сопротивлений вносит вклад только первый интеграл из правой части (8) и интегралы по дугам вокруг полюсов на вещественной оси во втором слагаемом в (8), а е мнимую часть - все четыре слагаемых. Для расчета собственных сопротивлений по формуле (7) последний интеграл в (8] не нужен, а величина А для достижения точности не хуже 1% может быть выбрана равной 5.

Для исключения особенностей подынтегральной функции, связанных с возможным существованием поверхностны) ТЕ-волн в подложке, следует ограничиться первым ненулевые

членом разложения /(£ ) в ряд Тейлора вблизи действительных корней уравнения /"(<* )=0.

Таким образом, описанный метод дает возможность вычисления собственных и взаимных сопротивлений с наперед заданной точностью.

Применение приближения заданного распределения плотности поверхностного тока позволяет достичь существенных упрощений алгоритма.

В работе получены выражения для элементов матрицы взаимных и собственных сопротивлений в приближении заданного распределения тока и проведено сравнение результатов расчета с использованием строгого и приближенного методов. Для решения уравнения (2) использован метод Галеркина

с пробными функциями /т,{у). Исходная краевая задача сведена к решению СЛАУ

и** I. Т > —^—-

п=—Н -оо 'ЩУ\ + УгсЧПГгЬ

00

= | £?(у, Z = А)/т)*(у)ф, -М<Ш<М

-СО

относительно неизвестных Представим СЛАУ в виде

М /V /V

£ 2*тп^п) _ ^т) ^ п=-N

00

где 2™" =

А'К)

.

2 СОЭ

л

£ V Утп

Л?)

</<? , (9)

^ = ? ] = ' (10)

1 -1

Здесь ¿пп - элементы матрицы сопротивлений.

Проведен анализ результатов вычислений собственных и взаимных сопротивлений в двумерной модели МПА для различных значений диэлектрической проницаемости, ширины металлических лент и расстояний между ними. Показано, что приближение заданного, распределения тока дает возможность получить правильные результаты даже для широких лент. Значительная погрешность результатов может возникнуть только в

области сильного взаимодействия лент (7Ш<4) и при их большой ширине (2Я е). Однако эта область значений па-

раметров, как правило, не используется в практических конструкциях МПА. В остальных областях значений параметров погрешность результатов, полученных с помощью приближения заданного распределения тока, составляет от 2 до 5% по сравнению с результатами, полученными строгим методом, что вполне допустимо и оправдано при расчете реальных МПА.

Во второй главе «Модели излучающих микрополосковых и родственных структур в строгой электродинамической постановке» получено решение краевых задач о распределении электрического поля в структурах, электродинамические свойства которых близки к свойствам микрополосковых антенн с элементарными излучателями в виде круглого тонкого диска (п.2.1). Решение получено в виде бесконечной СЛАУ типа Фредгольма 2 рода, корректной и решаемой с использованием стандартных численных методов.

Разработана математическая модель дисковой МПА при осесимметричном возбуждении с использованием строгого решения соответствующей краевой задачи и исследованы основные характеристики излучателя. Задача решена спектральным методом в сочетании с методом полуобращения оператора. Эффективность решения задачи в основном определяется обоснованным выбором системы базисных функций.

В качестве модели дисковой МПА рассматривается бесконечно тонкий круглый диск радиусом а, лежащий на бесконечной диэлектрической подложке толщиной Ь, расположенной на идеально проводящем экране. Структура возбуждается элементарным диполем, расположенным на оси диска и ориентированным параллельно ей. Электромагнитное поле описывается

-»

с помощью электрического вектора Герца П . Ввиду симметрии задачи поле не зависит от азимутального угла и описы-

—. -г

вается одной компонентой: П = егП. Поле в пространстве -суперпозиция поля диполя в отсутствии диска и рассеянного поля. Соответственно для 2-компоненты вектора Герца

П = П. +П .

1 8

Рассеянное поле должно удовлетворять однородному уравнению Гельмгольца в свободном пространстве (область 2) и в подложке (область 1), условию излучения и условию на ребре, а полное поле, соответствующее вектору Герца П или, если диск, отсутствует, П|- граничным условиям в плоскостях г=0 и г=Ъ.

—>

Спектральные амплитуды вектора Герца П. в областях 1 и 2 имеют следующий вид

XY2

П? — 2s q-------

y2+Uh~ Yi)e 2

ГГ = a__ П!+ = И!" Г^г .

1 / \ -l'XYi ' 1 1

SY\ + Уг + ~ Yi)e 2

где x=h¡a = = >

¡7 ji

Из граничных условий в плоскостях z=0 и z—h получим соотношения между спектральными амплитудами вектора

flH =П{-еЧХГ s s

s s

и парные интегральные уравнения

оо

= О , р>\ , (12)

о

00 оо

о о

Л к .

относительно функции a(¿; ) = /— {y2-is у. ctg%y2 )йп %у2 е ^П1-,

Г\ s

которая с точностью до постоянного коэффициента представляет собой спектральную амплитуду тока на диске. Функция /?(£) в уравнениях (12) имеет вид

/Нс) =----

Y г ~ ,€ Y\ ctgZYi Для решения парных интегральных уравнений используется метод, основу которого составляет обращение статической части оператора задачи. Функция «(£) ищется в виде разложения в ряд по полной системе функций {<рп}™_ являющихся в определенном смысле собственными функциями оператора рассеяния:

эо

a

(í)-íl^(í) = (13)

п—1 ■)

- и -

В результате получена бесконечная СЛАУ второго рода относительно неизвестных коэффициентов Сп разложения в ряд (13) функции а(£) :

00

ЛЛппСп-Ст = Ьт , гп=1,2,3,..., (14)

/2—1

где

ао оо

Атп={е + \)\<р1пхрпа^)^^, Ьт = (е + \)Щ у,<рш%2 % .

о о

+ 051

Подынтегральные выражения в матричных элементах с ростом £ убывают не медленнее, чем £ . Они имеют особенности типа полюсов в точках £ , соответствующих постоянным распространения медленных волн в диэлектрическом слое на идеально проводящем экране. Эти точки являются

нулями функции у2 ~ У\ с^х Уг)-

^ Показано, что СЛАУ (14) фредгольмового типг

( 2 |-Лпл| <0°), решается с заданной точностью с использованием метода редукции.

Характер убывания подынтегральной функции в (15} позволяет выбирать в качестве верхнего предела интегриро-

IX "1х Е точность решения Е.

Таким образом, система уравнений (14) может решаться достаточно эффективно с использованием стандартных численных методов.

Характеристики электромагнитного поля в волновой зоне найдены при использовании метода стационарной фазы дл* асимптотического вычисления интегралов в представление вектора Герца с учетом требований, налагаемых условием излучения.

Получены частотные зависимости энергетических характеристик излучения дисковой МПА при осесимметрично.у возбуждении, которые позволяют оценить условия эффективного возбуждения излучателя, отрыва ДН от плоскости излучателя, К.НД. Наиболее эффективному возбуждению соответствуют максимумы в частотной зависимости. Приведены значения КНД, КПД и добротности 0 резонансной МПА для тре> значений а подложки.

1 1

вания величину л = к + — 1п- , обеспечивающую требуемук

Поверхностная плотность тока на диске определена из связи ее с рассеянным полем:

кг 00

Др ) = /-£-] a(Z)MZp)Ji .

Аь о

Для расчета собственных и взаимных сопротивлений дисковых антенн используется спектральное представление электрического поля и плотности тока.

Окончательное выражение для взаимного сопротивления имеет вид:

= ■ (16) KlmIn о Г £

где /т,/п - амплитуды токов на каждом из дисков; -

амплитуда Фурье-Бесселя поверхностной плотности тока Ар).

Приведены распределения плотности тока на диске для резонансного случая, полученные по приближенному и строгому решению задачи.

В строгой электродинамической постановке исследованы характеристики модели излучающего элемента в виде короткого по сравнению с длиной волны цилиндрического вибратора с тонким металлическим диском на вершине, расположенного над идеально проводящей плоскостью (п.2.2). Электрический векторный потенциал создаваемого поля ввиду осевой симметрии излучателя имеет только Z-составляющую, его удобно

представить в виде суммы Az = (г, г) + /£иск(л*), где А*"бр описывает поле, созданное в пространстве током на вертикальном вибраторе, а а£иск - током на диске.

Для определения поля в любой точке пространства находятся токи на вибраторе и диске из системы двух связанных интегральных уравнений с учетом граничных условий на поверхности излучателя.

Система интегральных уравнений решалась методом Га-леркина. Эффективность решения определяется выбором системы базисных функций. В случае малогабаритного низкопрофильного излучателя, высота которого значительно меньше Я , решение удается получить, используя только одну базисную функцию для плотности тока на диске:/0)^) _ г/а . Искомые функции представлены в виде: 2РЖ

К Ng

/(*)=! <£./">(z), Ar)= I c*/4r).

/7=0 л=0

Функция /0>(р) и ./"'система функций линейно независимы. При таком выборе базисных функций условие непрерывности тока выполняется, если = = .

В полученной СЛАУ первое уравнение является следствием равенства нулю тангенциальной компоненты полного электрического поля на поверхности вибратора; оно рассматривается как уравнение относительно сВ оставшейся части СЛАУ, полученной из условия равенства нулю тангенциальной компоненты полного электрического поля на поверхности диска, введя новые неизвестные Ц^с^/с^ , запишем СЛАУ в виде

М8

Цп~ ещо+си > т=1,2,...,Л^ , (17)

я=1

гДе <1тп + 5тп,8тп- символ Кронекера;

^8/77 +2

еЛ7 0 — 7

/Л" Г| т+ ' ¡Г(2Л7 + 2) 0

Г(- + 1)Г(2,) ]Фйт(^)

1 П О

и . , -¡кр г 1 + /а)2+р2 -¡кМ{Ь/а)г +р2 \{ + иср)е -р —. - \т~е

°7770

/ | Л л/4/77 + 1 Г ЯЗ+ ■

V 2.

2 л/2 лт\

| сю

2 л о

оо

= ~дтп + 1 <Рт(£ )<Рп(£

(1-вт с(£))

1-е

Система уравнений (17) при Л^-к» представляет собой строгое решение задачи о возбуждении диска над металлической плоскостью нитью заданного тока с единичной амплитудой.

Показано, что (17) является системой уравнений вто-

~2i -

poro рода фредгольмового типа: Z \Dmn\ <00

m, /7=1

Решение системы уравнений (17) позволяет определить основные характеристики малогабаритного излучателя.

Полученные результаты расчета входного реактанса от отношения радиуса диска к высоте вибратора a/h, отношения радиуса вибратора к его высоте и частотной зависимости входного реактанса позволяют дать обоснованные рекомендации при проектировании малогабаритных А.

Если пренебречь величинами по сравнению с Q, то в дальней зоне напряженность электрического поля в сферической системе координат (Я,э,<р ) имеет вид

и в основном определяется излучением вертикального вибратора. Сопротивление излучения в этом же приближении есть

Получены выражения для расчета взаимного сопротивления малогабаритных низкопрофильных излучателей, зависимости модуля и фазы взаимного сопротивления двух идентичных излучателей от расстояния между ними.

Исследованы одноэлементные прямоугольные МПА (п.2.3). Поле пространственных и поверхностных волн находится через ток с помощью функции Грина в спектральной области. Метод позволяет получить правильную физическую картину механизма излучения МПА и достаточно просто определить такие ее характеристики, как входное сопротивление, ДН, КНД, КПД. Рассмотрены антенны, возбуждаемые на первой и второй модах тока. В строгой электродинамической постановке решена задача нахождения параметров прямоугольных МПА на второй моде тока, обеспечивающих для данных условий максимум излучения при малых углах места, что представляет интерес для СП Р.

В результате численных расчетов получена ДН МП излучателя на I и II модах тока для различных значений с и ширины излучателя. Показано, что с ростом е ДН в азимутальной плоскости становится близкой к ДН несимметричного вертикального вибратора. Проведен синтез размеров прямоугольного МП излучателя по заданному входному сопротивлению, состоящий в нахождении таких размеров антенны, при которых ее входное сопротивление совпадает с характеристическим сопротивлением питающей линии. Учтено влияние

линии питания на характеристики излучения МПА. Расчет i анализ частотной зависимости входного сопротивления дае' возможность уточнить резонансную частоту или резонансньк размеры излучателя на заданной частоте.

Расчетные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными рядом авторов [JI16,JI32]

Б третьей главе «Краевые эффекты в двумерных полос-ковых структурах» исследуются физические явления на кром ках магнитодиэлектрических структур.

Введение в А или подстилающую поверхность диэлектри ческих материалов позволяет, с одной стороны, решить ря^ технических задач, связанных с уменьшением массы и габари тов, интегрировать излучающие элементы со входными и уп равляющими цепями ПРМ-ПРД устройств, а с другой - усложни ет физические процессы в системах, приводит к явления» дифракции на кромках экранов и пластин, ко взаимной тран сформации типов волн, дополнительному излучению и переиз лучению волн.

Для оценки отмеченных явлений решается двумерная задач; о падении электромагнитной волны из плоско-параллельног< волновода в открытую область, содержащую обрыв экрана j (или) обрыв подстилающей диэлектрической структуры. Пр] этом использовано нестандартное представление функции Грин; в виде разложения по системе собственных волн типа LE, LM что позволяет следить в процессе решения за образованием i взаимной трансформацией поверхностных и пространственны: типов волн.

Для случая обрыва экрана получены простые аналити ческие выражения для основных характеристик излучения струк туры: ДН и проводимости излучения. Они упрощаются дл: практически важного случая тонких подложек. Например, дл: ДН поверхностной волны имеем:

где (1 - толщина подложки.

Проводимость излучения по поверхностным волнам имее

вид

где ц - первый корень решения трансцендентного уравнени для поверхностной волны типа ЬМ, 4- норма собственно]

функции.

При учете обрыва диэлектрической подложки к исследованным выше явлениям добавляется эффект дополнительного излучения поверхностного распределения эквивалентных токов в плоскости обрыва диэлектрической структуры. Ввиду значительной протяженности дополнительного эквивалентного источника возможны существенные корректировки значения электромагнитного поля под углами, примыкающими к поверхности металлического экрана и диэлектрической структуры.

Получены выражения для полей, излученных открытым концом плоскопараллельного волновода, выступающего отрезка диэлектрической структуры и скачка поля в плоскости обрыва. Показано, что отклонения от первоначальной (невозмущенной) ДН кромки становятся менее заметными с уменьшением £ и толщины подложки.

Излучательная способность или КПД кромки по пространственной волне определяется как

■ с* +с*'

V =

б*

где ¿/^ - проводимость открытого конца плоскопараллельного волновода; с - проводимость излучения по пространственным волнам за счет дополнительного тока; с^ - проводимость

излучения за счет скачка поля при обрыве; в - проводимость излучения по поверхностным волнам.

Очевидно, что за счет дополнительного излучения КПД

излучателя увеличивается. Так, например, для £,=2.3,

4Я =0.02, ц =0.90 . Обрыв подложки для ¿=д/2 дает -0.962

и для ь = Я 7 =0.98 .

В четвертой главе «Излучение полосковых антенн на подложках ограниченных размеров» исследуются характеристики излучения дисковых антенн на ограниченных металлических экранах, диэлектрических подложках и сфере.

Характеристики излучения А на ограниченных металлических экранах исследованы с использованием векторных потенциалов и функции Грина свободного пространства (п.4.]). На первом этапе полагается, что ток, наведенный на экране, обусловлен эквивалентными токами в апертуре А. По полю, излученному первичным источником, определяются токи на экране. На втором этапе рассчитываются электромагнитные поля от наведенных токов на конечной части экрана.

Для определения наведенных токов и поля в ближней

зоне первичных источников А заменяется эквивалентным резонатором. Амплитуда эквивалентного электрического тока значительно меньше амплитуды магнитного тока, поэтому задача сводится к определению излучения поверхностного магнитного тока в свободном пространстве. Для расчета поля использован векторный потенциал

а = | , с 18)

где тензорная функция Грина свободного пространства

-А

Г У

-> ->

4л г-/

I , I -единичный тензор.

г

Для малых значений Ь интегрирование в (18) может быть сведено к интегрированию по координате <р. В результате получены аналитические выражения компонент напряженности магнитного поля на экране н^р ) и нр{р) . Наведен->-»->

ный поверхностный ток на экране определяется как У £ = а гх н , причем скалярные составляющие тока

3р 5 = ~ с°3 )Н<р(р), 3<р5 = 8'п (П(р ^ (19)

Эти токи дают дополнительный вклад в поле излучения А в случае обрыва экрана.

Общее поле излучения определяется как векторная сумма полей, излученных эквивалентной апертурой и наведенными токами на экране. Поля от наведенных токов определяются через векторный магнитный потенциал:

е~}кг ьг 4.

А"д — ~~ тс соб В сое (п<р )-—-]\В%(р,&)Нп(р) +

17 Акт о

, (20) + Вл(р,&)Н(р(р)]рёр,

р-Дг Ьг ^

Ар = /гяп (п<р + )Н9{р) +

+ Вп(р,$)Нр (р )]рйр,

где

^(х) - функция Бесселя первого рода порядка п, Ь - радиус экрана.

Поле излучения эквивалентной апертуры определяется эквивалентными электрическим и магнитным поверхностными токами:

е~]кг

Е^ = ~]аЕаЫ1—--Вп (а, & )соб(л^ ) ,

& 4лт

¡кг

Е'ф = -----<9 )соэ <9 вт(л^) )

^ ' 4 л г

где еа - максимальная напряженность поля в апертуре для волны Ецп .

Части поля, порожденные эквивалентным электрическим током, равны

-)кт

Еэ& = -УакЩ1ха^~-Вп{а,&)йп &соь(п<р) , = О

Обшее элктрическое поле определяется как сумма всех источников излучений:

Е& = Е$ + ЕЪ+ ЕЪ ' Е(р=Е'ср + Еу ■

Показано, что вклад эквивалентного электрического тока мал по сравнению с другими источниками излучения и может быть сохранен в случае возбуждения диска волной ¿¡1 ,

когда е" и еи определяют излучение в направлении нормали,

а Еэ определяет боковое излучение А. Для этого типа колебаний адмитанс стенки резонатора может быть рассчитан по к . Л 1

формуле уа = —;Ла 1- -2Т ; здесь аа - эквивалентное увели-

Щ> V к и )

чение радиуса диска за счет реактивной энергии, запасенной у кромки диска.

С учетом этой поправки можно рассчитать резонансную частоту А, введя понятие эффективного радиуса диска.

Показано, что использование представления функции Грина в цилиндрической системе координат позволяет избежать ряда недостатков, связанных с наличием особенностей и неудобством интегрирования в области распределенных источников при использовании стандартного представления функции Грина.

Вычислены поля первичного источника в виде кольцевого тока над экраном. Эти результаты позволяют, с одной стороны, определить поля излучения первичного источника, с другой стороны, токи на экране, необходимые для расчета вторичного излучения от ограниченной структуры. Получены выражения для случая, когда эквивалентный магнитный ток «лежит» на экране, а также когда кольцевой магнитный ток «приподнят» над экраном. Это соответствует, например, конструкции «свернутых» дисковых А, когда внутренняя область выполнена в несколько этажей для уменьшения габаритных размеров антенны [A.c. 1756953 ].

Исследованы электромагнитные поля и проводимость излучения дисковой А с нулевой (п=0) и первой (п=1) вариацией тока. В первом случае А создает осесимметричное излучение в горизонтальной плоскости и имитирует излучение штыревой А. Для создания однонаправленного излучения используются дисковые А с первой вариацией эквивалентного магнитного тока по кромке диска. Получены аналитические выражения электромагнитного поля и проводимости излучения для А с п=0 и п=1. Проводимость излучения комплексна: активная часть проводимости соответствует излученной А мощности, а реактивная - запасенной мощности вблизи А (за счет нераспространяющихся типов волн). Зависимости действительной и мнимой части проводимости от радиуса диска для фиксированной высоты подвеса h носят умеренно колебательный характер, причем реактивная часть проводимости существенно зависит от высоты подвеса. Поле в дальней зоне, определяющее ДН А, вычислено несколькими методами. ДН кольцевой А имеет вид:

F(&) = kaJl{kasmS) (21)

Получены аналитические выражения для напряженности электрического поля дисковых А на однослойной диэлектрической подложке и дисковой А с диэлектрическим заполнением (п=1).

Для Ь ->• 0 формулы для ДН дисковой А с первой азимутальной вариацией тока упрощаются и имеют вид:

Fp (&, (р) = kacos (р J,'(Aasin &),

„ / „ s , „ J.ikasm $)

F(a {& ,ip) = kasin (pcos 9 -

Y ka sin 3

Рассмотрено излучение дисковой А с нулевой и первой вариацией тока, расположенной в центре круглого экрана. Установлено, что в случае излучения дисковой А с п=0 распределение действительной и мнимой частей поверхностного электрического тока в зависимости от расстояния от центра

А и экрана носят осциллирующий, убывающий характер, причем период осцилляции равен приблизительно длине волны в свободном пространстве'. При увеличении радиуса экрана максимум излучения смещается незначительно в область больших углов $ . Кроме того, симметричное положение диска на экране обеспечивает линейную поляризацию излученного поля (^ = 0).

Рассчитанные ДН дисковой А с п=1 хорошо совпадают с экспериментальными результатами других авторов [Л30].

Показано, что интенсивность излучения в диапазоне углов 9>90° (область тени) уменьшается с увеличением радиуса экрана. Ширина ДН в Е-плоскости минимальна для ь = Я /2 и увеличивается, когда Ь становится больше или меньше л/2. Для Н-плоскости ширина ДН увеличивается с увеличением радиуса экрана. Зависимость КНД от радиуса экрана свидетельствует, что минимальная направленность, равная 4,2 дБ, имеет место, когда размеры экрана совпадают с радиусом диска. Излученная мощность в области & >90° и 5<90°оди-накова и КНД на 3 дБ меньше, чем для диска над бесконечным экраном. КНД имеет максимум для ¿=0.63Л. , который на 1 дБ выше, чем для А над бесконечным экраном.

Исследовано излучение дисковой А, расположенной на круглом экране с несимметричным расположением диска, и квадратном экране с произвольным расположением. Установлено, что, несмотря на осесимметричный характер первичного тока, вторичное поле асимметрично и имеет основную и кроссполяризационную составляющие напряженности электрического поля. Смещение А из центра экрана приводит к нарушению изотропности излучения и появлению кроссполяризаци-онной составляющей.

Анализ ДН в плоскости смещения {<р= о) и в поперечной плоскости (<р=л/2) показывает, что если в первом случае ДН становится асимметричной относительно нормали, но сохраняется линейная поляризация, то во втором случае при симметричности излучения относительно нормали появляется крос-

споляризационная составляющая (£ ) . Чем больше смещение

излучающего элемента, тем выше уровень кроссполяризацион-ного излучения. При смещении от центра экрана на 0.5Ь уровень кроссполяризационного излучения составляет -12,7 дБ; в случае смещения на 0.9 радиуса экрана - минус 23 дБ.

Исследовано излучение лолосковых А над экраном с диэлектрическим слоем, влияние обрыва слоя диэлектрика или экрана на основные характеристики антенны (п.4.2). Получены аналитические выражения для компонент электромагнитного поля поверхностных волн, причем эти компоненты

-sb —

имеют в общем случае дискретный спектр, структура которого зависит от толщины и диэлектрической проницаемости подложки.

Обрыв диэлектрика приводит к скачку тангенциальных составляющих напряженности электрического и магнитного полей, что является источником вторичного излучения, которое формирует в дальней зоне дополнительные компоненты Щ и Е'ф .

Получены аналитические выражения для дополнительных компонент поля ££ и Е'ф , при записи которых учтено излучение на обрыве эквивалентных магнитного и электрического токов, что привело к появлению дополнительного множителя в виде ДН элемента Гюйгенса. Приведены выражения для А с нулевой и первой вариациями азимутального тока для случая квадратной подложки.

Анализ выражений для нулевой вариаций тока показывает, что в главных плоскостях (p=o,*r/2) вторичные поля одинаковы, однако присутствуют основная (е& ) и кроссполяри-зационная (Е^ ) составляющие. В диагональной плоскости

(<Р=л/4) кроссполяризационная составляющая отсутствует. В случае первой азимутальной вариации тока кроссполяризаци-онные составляющие отсутствуют, по крайней мере, для двух направлений 9=0 и 9= тс¡2.

При обрыве диэлектрической подложки металлический экран оставался бесконечным. При определении полей излучения на обрыве вторичные токи интегрировались с функцией Грина полупространства, ограниченного плоским экраном. В результате интегрирования в выражениях для полей Е'& и

появились множители /(£> )= а2/{а 2+ cos2 9 ) ■ При одновременном

обрыве слоя диэлектрика и экрана для определения вторичных полей необходимо использовать функцию Грина свободного пространства. В результате меняется вид функции /(з ). Записанные выше выражения для полей, таким образом, остаются справедливыми при выполнении следующей замены:

а2 1 а

-2-2- ---

а + cos & 2 а + j cos 9

Численные расчеты вторичного поля излучения от угла 9 для квадратной подложки с различными значениями толщины подложки показывают, что степень концентрации вторичного излучения вдоль подстилающей поверхности подложки увеличивается с уменьшением толщины подложки.

Обрыв подложки приводит к заметным изменениям харак-

тера излучения -й составляющей в диапазоне углов 60°-90°

и фазы первичного и вторичного полей излучения. Меньшее влияние оказывает обрыв подложки на излучение в плоскости экрана (Еф ).

Приведены сравнительные результаты расчетов излучения вторичных полей для обрыва только слоя диэлектрика и одновременно обрыва диэлектрической и экранирующей пластин. Во втором случае поля присутствуют в области «тени» (.9 > 90°). Интенсивность поля монотонно убывает при приближении к точке 9 = 180°.

Исследованы поля излучения диска на круглой подложке. Установлено, что вторичное поле изменяет первичное излучение в диапазоне углов, примыкающих к поверхности подложки и экрана. Получено аналитическое выражение суммарного поля, излученного диском и вторичными токами.

Излучение двух разновидностей полосковых антенн на выпуклом теле, покрытом слоем диэлектрика - сфере, рас-смостено в п.4.3. .

Антенна, известная в литературе как антенна Мунсона, представляет собой металлическую полосу (обруч), расположенную на диэлектрической подложке толщиной I с относительной диэлектрической проницаемостью е', укрывающей проводящую сферу радиуса а, ориентированную в азимутальной плоскости. Антенна запитывается в нескольких точках на расстоянии я/2 друг от друга, что обеспечивает синфазное возбуждение обруча.

Задача решается с использованием тензорных функций Грина слоистой сферической области. В результате получены аналитические выражения поля и сопротивления излучения:

1 _ еЧкг £ 2л+1 Ат дРп{сов&) . .

„-ikx ос &

где ел(Ь,Ь) = -г

I -ikx ос

^'[Сп{кЫ ka)lCn{kkb)- hf (¿A)/A<? (ka)] ■9 2 ^'-^¿^(cos^') , ,

Mn= [ sin-1-Г-——-,-sin & d&

5,' и 9гуглы, под которыми расположены верхняя и нижняя

кромки полосы, д9=&2~э1, q^kkka), Cn(ktr,ka), h%}{ka), hf'(kb) - сферические функции и их комбинации, построенные на базе функций Бесселя, Неймана, Ханкеля.

Приведены графики активной и реактивной составляющих входного сопротивления А в завиимости от ширины полоски, позволяющие оценить широкополосность А и своеобразное «укорочение» полоски по сравнению с полуволновым размером.

Анализ ДН А при двух угловых положениях полоски на сфере показывает, что когда полоска расположена вблизи полярной оси, то образуется довольно узкий провал ДН при малых углах наблюдения 9 , но резко уменьшается излучение в противоположной области пространства, экранированной поверхностью сферы. При расположении полоски на экваторе сферы ДН становится более близкой к изотропной.

Исследована А, излучатель которой имеет конечную длину в обоих угловых направлениях; строгое решение задачи достигается при использовании аппарата тензорных функций Грина многослойных сферических областей. Конечные азимутальные размеры излучателя приведут к возбуждению как электрических, так и магнитных волн, распространяющихся в азимутальном направлении.

Получены аналитические выражения электромагнитного поля, имеющего сложную структуру и содержащего две составляющие. Поле представляет собой спектр гармоник, выраженных через производные присоединенных функций Лежандра, а также содержащих характеристическую часть, сконструированную из комбинаций сферических функций Бесселя, Неймана и Ханкеля.

Вычисление по расчетным формулам для электрического поля сферической полосковой антенны требует организации программы численного дифференцирования полиномов Лежандра от сложного аргумента, а также численного интегрирования по азимуту и углу места. Это позволяет решить поставленную задачу и подобные ей при больших размерах внешнего и внутреннего радиусов А.

Получены расчетные ДН полосковой А на сфере в главных плоскостях при различных размерах сферы. При близком расположении полоски антенны к полярной оси появляются осцилляции в ДН. Смещение полоски к экватору сферы снижает изрезанность ДН. Установлена значительная зависимость ДН в азимутальном направлении от азимутального угла.

В пятой главе «Взаимодействие элементов в многоэлементных полосковых структурах» исследуются характеристики АР из прямоугольных и дисковых низкопрофильных излучателей.

Проведены анализ и расчет взаимных сопротивлений и коэффициентов передачи прямоугольных МП излучателей в приближении заданного распределения плотности поверхностного тока и дана методика расчета характеристик МП антенной решетки с учетом взаимного влияния ее элементов (п.5.1). Показано, что все внешние характеристики решетки, такие как направление главного максимума, КНД, уровень боковых лепестков, форма ДН, мощность излучения в свободное пространство, мощность излучения в поверхностные волны могут быть найдены с помощью полученных выражений, если известны токи на излучателях.

Получены выражения для взаимных сопротивлений прямоугольных МП излучателей с использованием представления комплексной входной мощности в терминах Фурье-образов. Приведен расчет взаимного сопротивления двух МП излучателей на основной моде тока, расположенных в Е-плоскости, в зависимости от расстояния между ними. Взаимное сопротивление уже при небольшом по сравнению с длиной волны расстоянии между излучателями на порядок меньше их собственного сопротивления и, осциллируя, убывает с увеличением расстояния. Взаимодействие между излучателями в Н-плос-кости значительно слабее, чем в Е-плоскости. Такое различие во взаимном влиянии излучателей, расположенных в Е- и Н-плоскостях, объясняется тем, что при выбранных для анализа данных поверхностная волна, распространяющаяся по подложке от каждого из излучателей, имеет в плоскости излучателя ДН с максимумом при *р = о и ¥ = л и нулем при *¥ = ±я/2. Это нетрудно установить, анализируя зависимость от подынтегральной функции в выражении для мощности излучения в поверхностную волну р5 . Таким образом, излучатели, расположенные в Е-плоскости, попадают в максимум излучения поверхностной волны, и поэтому взаимодействуют сильнее, чем излучатели, расположенные в Н-плоскости и, следовательно, в минимуме поля поверхностной волны. Поле поверхностной волны с увеличением расстояния г от излучателя убывает так же, как поле цилиндрической волны, т.е. как

г4'2 .

Получены зависимости коэффициента передачи от расстояния между излучателями для случая квадратных излучателей, резонирующих на второй моде тока. Благодаря симметрии излучателя и его возбуждения, величины коэффициента передачи при распространении в Е- и Н-плоскостях одинаковы.

Полученные соотношения и сам подход дают возможность рассчитать взаимное сопротивление излучателей, расположенных не только в Е- и Н-плоскостях, но и в любых промежуточных плоскостях. Выражения допускают обобщение на из-

лучатели, имеющие различные размеры.

Рассмотрено влияние взаимодействия излучателей на характеристики АР. Проведено сравнение характеристик АР без учета взаимного влияния излучателей и с учетом взаимодействия. Для расчета входного сопротивления излучателя, отличающегося из-за взаимного влияния излучателей от его собственного сопротивления, построен итерационный процесс, причем в качестве начального приближения используется собственное сопротивление излучателя.

Приведен анализ двух типов четырехэлементных АР. Обе АР состоят из одинаковых излучателей на подложке толщиной 1,62 мм с с =2,2. Расчетные и экспериментальные данные сопоставляются с известными, подтверждая их удовлетворительное совпадение. При равных токах на излучателях АР уровень боковых лепестков в Е-плоскости выше, чем в Н-плоскости, и в случае линейной решетки составляет 13 дБ, квадратной - 9 дБ.

Исследованы АР из дисковых низкопрофильных излучателей (п.5.2). Выражения для собственных и взаимных проводи-мостей получены для различных случаев расположения излучающего кольцевого тока над экраном. Приведены расчеты собственной проводимости дискового излучателя, расположенного на проводящем экране, в зависимости от его радиуса. Показано, что взаимодействие существенно лишь для излучателей, разнесенных на расстояние р0 < 0,1 X при выбранном радиусе а = 0.05л ■

Приведен расчет характеристик излучения малоэлементной решетки из дисковых излучателей, расположенных на экране конечных размеров. Электромагнитное взаимодействие между излучателями учитывается с помощью поэлементного метода. Алгоритм реализован в виде прикладных программ.

В шестой главе «Экспериментальное моделирование пол-осковых структур и антенных решеток» приводятся результаты экспериментального моделирования ИС и АР на их основе. Проведен обзор существующих низкопрофильных ИС, в той или иной степени пригодных для использования в СПР. Рассмотрены конструкции и характеристики МП, дисковых и вибраторных излучателей. Показано, что габаритные размеры как МП, так и вибраторных излучателей не позволяют в общем случае использовать известные конструкции А для СПР.

Описан ряд оригинальных конструкций АВУ, предназначенных для СПР. Для ПО предложены двух- и трехъярусные типы А, защищенных А.с: [64,65]. Проведено всестороннее экспериментальное исследование зависимостей импедансных и полевых характеристик А от их геометрических и электрических размеров. Рассмотрены диапазонные свойства, экспериментальные ДН А, размещенной в центре круглого экрана.

Отмечено незначительное расхождение в поведении расчетного и экспериментального графиков. Показана возможность перестройки резонансной частоты А, приведены рекомендации по улучшению согласования А в зависимости от точки запит-ки. Результаты исследований позволяют прогнозировать зависимость входного сопротивления А от положения возбуждающего зонда. А позволяют осуществить их скрытное размещение.

Предложен объемный полосковый излучатель (патент [68]), ДН которого эквивалентна ДН щели в экране. Изучено влияние геометрических размеров конструктивных элементов излучателя на полевые и импедансные характеристики. Опытные данные подтверждены расчетным путем с использованием строгих электродинамических методов. Расхождение результатов не превышает 10%. Дуплексный режим работы обеспечивается дополнительным резонатором, включаемым в линию питания А (приведена методика расчета).

Разработаны конструкции оригинальных одночастотных низкопрофильных вибраторов УКВ диапазона на основе связанных МП линий. При оптимальной связи между МПЛ и корот-козамкнутым шлейфом излучатель обладает сравнительно высоким входным сопротивлением и КПД. Общая высота излучателя на частоте 340 МГц - 65 мм. Два других излучателя отличаются наличием емкостной нагрузки в виде диска или пластины и имеют высоту 35 мм. ДН всех трех излучателей близки к ДН четвертьволнового вибратора при размерах- противовеса (1х1)м. Эффективность излучателя с емкостной нагрузкой в виде диска диаметром 150 мм не ниже 80% эффективности я /4 вертикального вибратора при углах места меньше 30°. Полоса пропускания по уровню КСВ=2 составляет (9+14)%.

Разработаны многочастотные низкопрофильные излучатели на основе нескольких резонансных систем, выполненных на связанных линиях. Каждая резонансная система состоит из коротких по сравнению с я , параллельно расположенных отрезков линий передач, соединенных определенным образом и имеющих сильную электромагнитную связь. Один излучатель работает на частотах 301, 427 и 429 МГц, имеет КСВ<1,45 и КУ относительно я/4 штыря -2 дБ. Другой излучатель предназначен для работы в окрестностях четырех частот: 340, 380, 470 и 485 МГц, имеет КСВ<1,8 и КУ -3 дБ. Высота обоих излучателей 30 мм, максимальный диаметр 200 мм. Все типы излучателей допускают оперативную регулировку частоты без снижения эффективности и смещения резонансных частот соседних полос в пределах не менее ±1% от центральной частоты.

Для проверки ряда теоретических выводов и соотноше-

ний, а также практического применения в разрабатываемых СПР разработано несколько типов АР, исследованы их характеристики, проведен анализ теоретических результатов.

Для стационарных и быстроразворачиваемых узлов связи разработана синфазная АР из четырех объемных щелевых излучателей, установленных на металлической мачте. Конструкция излучателя защищена патентом [67]. Экспериментальные исследования АР дали следующие результаты: ДН в горизонтальной плоскости - круговая с неравномерностью ±1,0 дБ; КУ G=6,9 дБ; полоса рабочих частот по уровню КСВ менее 1,5 дБ - 14%. Масса А без диэлектрического укрытия составляет 6,2 кг, с укрытием - 9,3 кг.

Для СПР с повышенной помехозащищенностью и возможностью определения местоположения корреспондента разработана многолучевая кольцевая АР. Решетка выполнена в дву> вариантах: стационарный (располагается на опорной башне диаметром 8 м, ширина апертуры кольца 1м) и сборный (лег-коразворачиваемый на зданиях и сооружениях). АР работает i четырех диапазонах частот: 330-r340, 380*420, 430*470 v 900+940 МГц с дуплексным разносом частот 13%. Многолучевая АР состоит из 12 подрешеток, причем они в свою очеред! состоят из трех шестиэлементных АР, выполненных на базе четвертьволновых низкопрофильных излучателей (A.c. [64]' и шестиэлементной решетки на основе малогабаритного низкопрофильного излучателя (патент [68]). КНД>20, уровеш боковых лепестков ниже -16 дБ. Теоретические расчеты подтверждены на опыте.

Для автомобильных УКВ радиостанций разработана сканирующая полосковая АР бегущей волны из дисковых излучателей (A.c. [64]). АР представляет собой полотно диаметро\ 0,7 м, на котором установлено 12 трехъярусных дисковыз излучателей. Сканирование в азимутальной плоскости осуществляется путем коммутации входов линеек. Устройствс сравнения выбирает направление, соответствующее приход; максимального сигнала и при помощи регистра формирует сигналы управления, поступающие на коммутатор.

Проведен численный анализ малоэлементной АР дисковы: излучателей на круглом экране. Расчет характеристик AI производился с использованием алгоритма расчета дисковоп излучателя с учетом взаимодействия элементов. Сравнитель ный анализ расчетных и экспериментальных данных ДН скани рующей АР показал, что соединение двух подходов к решеник электродинамической задачи излучения АР на ограничен hon экране: математического моделирования излучающей системь и физического моделирования элементов АР, позволило со здать эффективную методику инженерного проектирования ма

лоэлементных АР на экранах ограниченных размеров.

Исследовано взаимное влияние многочастотных низкопрофильных излучателей. Экспериментальные результаты соответствуют расчетным данным.

В приложении 1 приведены тензорные функции Грина сферических областей. На основе обших принципов построения характеристической части функции Грина получены выражения для нескольких частных вариантов стратификации сред. Приложения 2-4 содержат библиотеки программ расчета ДН плоской полосковой АР из дисковых излучателей, расположенных на экране конечных размеров с учетом и без учета взаимного влияния излучателей. В Приложении 5 - акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработаны математические, физические и расчетные модели, более полно, чем существующие, отражающие электродинамические свойства МП излучающих структур и устройств на их основе. Оригинальные аналитические решения позволили построить обоснованную и эффективную методику «инженерных» расчетов полосковых излучающих структур.

2. Обосновано использование приближения заданного распределения плотности поверхностного тока в электродинамической теории МП излучающих структур. В качестве «эталонных» данных выбраны значения взаимных сопротивлений в полосковой АР, найденные строгим методом с учетом поведения тока у ребра. Показаны пределы применимости полученных моделей.

Развит подход, позволяющий аналитически вычислить с заданной точностью матрицы взаимных сопротивлений излучателей при больших значениях аргумента и оценить погрешность, вносимую отброшенным остатком. При этом для достижения точности результатов не хуже 1%, достаточно выбрать верхний предел при численном интегрировании равным 15, а в ряде случаев он может быть и ниже.

Анализ поведения собственных и взаимных сопротивлений позволяет оценить порядок усечения (редукции) в разложении тока на излучателях, а также обеспечить расчет излучающих структур с заданной степенью точности.

3. В строгой электродинамической постановке получено решение краевых задач о распределении электромагнитного поля в структурах, электродинамические свойства которых близки к свойствам МП антенн с элементарными излучателями в виде круглого тонкого диска. Решение получено в виде бесконечной СЛАУ типа Фредгольма 2 рода. Эти СЛАУ являются корректными и могут решаться с использованием стандартных

численных методов.

4. Разработана математическая модель дисковой МП/ при осесимметричном возбуждении с использованием строгог< решения краевой задачи и исследованы основные характерис тики излучателя. Задача решена спектральным методом в со четании с методом полуобращения оператора. Предлагаемы! подход к решению краевой задачи позволяет свести ее реше ние к бесконечной СЛАУ 2 рода фредгольмового типа, к кото рой применим метод усечения и решение находится с наперед заданной точностью. Порядок СЛАУ после ее усечения оказы вается невысоким, что дает возможность использовать при ei решении эффективную гауссову схему. Характеристики рассе янного поля достаточно просто связаны с решением СЛАУ Подробно исследованы характеристики дисковых антенн.

4. В рамках строгого электродинамического подход, исследован излучающий элемент в виде короткого цилиндри ческого вибратора с тонким металлическим диском на верши не, расположенного над идеально проводящей плоскостью Методом Галеркина задача сведена к решению бесконечно; СЛАУ относительно комплексных амплитуд гармоник тока н вибраторе и диске. Обосновано применение метода усечения : получено численное решение задачи. Исследовано влияние н величину входного сопротивления изменения размеров и reo метрии излучающего элемента. В частности, показано, чт диск выравнивает распределение тока на вибраторе, что уве личивает сопротивление излучения и дает возможность умень шить входной реактанс. Данные расчетов удовлетворительн совпадают с экспериментальными.

5. Исследованы физические явления на кромке магните диэлектрических структур. Получены аналитические выраже ния для пространственных и поверхностных волн в слое диз лектрика и за его пределами, в том числе и для тонки подложек, а также ДН кромки МП структуры.

Изучено влияние обрыва диэлектрической подложки н характеристики излучения. Получены аналитические выраже ния для определения вклада в поле излучения за счет трап сформации поверхностной волны (неизлучающей) в простраь ственную (излучающую) и скачка компонентов поля на обрьш Показано, что ДН кромки тонкой МП структуры с учетом обрь ва диэлектрической подложки определяется тремя составляк щими, которые соответствуют излучению кромки структурь тока на подложке и распределения элементов Гюйгенса плоскости обрыва подложки. Установлено влияние дополна тельных источников излучения на КПД излучателя.

6. В строгой электродинамической постановке исследс вано излучение полосковых структур на ограниченных мета; лических экранах. Получены аналитические выражения дл

расчета электромагнитных полей от наведенных на конечной части экранов токов; показано, что наведенный поверхностный ток на экране дает дополнительный вклад в поле излучения.

Получены аналитические выражения общего излученного поля как векторная сумма индивидуальных полей, излученных эквивалентной апертурой и наведенными токами на пластине. При этом поля излучения эквивалентной апертуры определяются эквивалентными электрическим и магнитным поверхностными токами, а поля от наведенных токов - через векторный магнитный потенциал. Введено понятие эффективного радиуса излучателя. Показано, что использование представления функции Грина в цилиндрической системе координат позволяет учесть наличие особенностей и избежать неудобств, имеющих место при стандартном представлении функции Грина.

Исследовано поведение электромагнитных полей и проводимости излучения дисковой антенны с нулевой вариацией тока, эквивалентной по излучению штыревой антенне, оценено влияние радиуса диска антенны на активную и реактивную части проводимости излучения.

Получены условия создания однонаправленного излучения.

7. Изучено излучение дисковых антенн с нулевой и первой вариациями тока в зависимости от расположения антенны на экранах различных форм. Показано, что при увеличении радиуса экрана максимум излучения смещается в область больших углов 9 ; симметричное положение диска на экране обеспечивает линейную поляризацию излученного поля. Исследована дисковая антенна, расположенная на круглом и квадратном экранах с несимметричным расположением диска. Установлено, что вторичное поле асимметрично и имеет основную и кроссполяризационную составляющие напряженности электрического поля.

8. В строгой электродинамической постановке исследовано излучение полосковых антенн на ограниченных диэлектрических подложках; установлено, что источником вторичного излучения является продольная составляющая поверхностной плотности магнитного тока. Получены аналитические выражения для составляющих напряженности электрического поля в дальней зоне с учетом влияния обрыва эквивалентных магнитного и электрического токов.

9. Исследовано излучение писка на квадратной подложке с нулевой и первой вариацией азимутального тока. Отмечено, что для нулевой вариации тока в главных плоскостях вторичные поля одинаковы, однако присутствует как основная, так и кроссполяризационная составляющая. В диагональной плоскости кроссполяризационная составляющая отсутствует. Лпя пегжпй азимутальной вапиапии токпя уста-

новлено, что для двух сечений кроссполяризационные составляющие отсутствуют.

Установлено, что обрыв подложки приводит к заметным изменениям характера Е& -й составляющей в диапазоне углов

60 -90° , фазы первичного и вторичного полей излучения. Меньшее влияние оказывает обрыв подложки на излучение в плоскости экрана. Приведены сравнительные результаты излучения вторичных полей для обрыва только слоя диэлектрика и одновременного обрыва диэлектрической и экранирующей пластин. Во втором случае поля присутствуют в области «тени» (>9 > 90°). Интенсивность поля монотонно убывает при приближении к точке £ = 180° .

В строгой электродинамической постановке исследовано излучение полосковых антенн на сфере. С использованием тензорных функций Грина слоистой сферической области рассмотрена антенна Мунсона и получены аналитические выражения для основных характеристик излучения. Получены активная и реактивная части входного сопротивления антенны, позволяющие оценить широкополосность антенны и своеобразное «укорочение» полоски по сравнению с полуволновым размером. Исследована антенна, излучатель которой имеет конечную длину в обоих угловых направлениях; строгое решение задачи достигается при использовании аппарата тензорных функций Грина многослойных сферических областей.

Получены аналитические выражения электромагнитного поля, имеющего сложную структуру, содержащую две составляющие. Поле представляет собой спектр гармоник, выраженных через производные присоединенных функций Лежандра, а также содержащих характеристическую часть, сконструированную из комбинаций сферических функций Бесселя, Неймана и Ханкеля. Получены расчетные формулы сферической полос-ковой антенны. Вычисление по ним требует организации программы численного дифференцирования полиномов Лежандра от сложного аргумента, а также численного интегрирования по азимуту и углу места. Такой подход позволяет решать эту и подобные ей задачи при больших размерах внешнего и внутреннего радиусов антенны. Установлена зависимость ДН в азимутальном направлении от угла.

10. Предложены и разработаны схема и алгоритм учета взаимного влияния элементов в антенных решетках с МП излучателями, основанные на полученных в предыдущих разделал работы данных об одиночных («элементарных») излучателях.

Основу развитой теории взаимодействия элементов АР составляет приближение заданного поверхностного тока и предположение о линейности преобразования Фурье. Это позволило построить наглядную теорию и получить надежную схе-

му учета взаимного влияния излучателей в АР в терминах взаимных сопротивлений и коэффициентов передачи.

Получены взаимные сопротивления и коэффициенты передачи между произвольными по размерам и расположению прямоугольными излучателями.

Разработана методика расчета собственных и взаимных проводимостей дисковых низкопрофильных излучателей с нулевой азимутальной вариацией тока в составе АР и алгоритм расчета полевых характеристик малоэлементной решетки. Учет взаимных связей между излучателями производится поэлементным методом.

Показано, что в большинстве практических случаев АР на подвижных объектах учет взаимного влияния элементов совершенно необходим.

Исследованы физические аспекты взаимодействия прямоугольных и дисковых излучателей в решетке и даны практические рекомендации по анализу и проектированию АР с учетом взаимного влияния излучателей.

Разработан пакет прикладных программ для анализа собственных и взаимных проводимостей прямоугольных и дисковых МП низкопрофильных излучателей, а также для определения полевых интегральных характеристик исследованных АР.

11. Исследованы и оптимизированы импедансные и полевые характеристики дисковых «свернутых» антенн и низкопрофильных излучателей. Для дискового излучателя на круглом экране конечных размеров произведено сравнение расчетной и экспериментальной ДН. Расхождение в положении максимумов ДН не превышает 2°, по амплитуде не более 10°. Показана обоснованность полученной математической модели и алгоритма расчета, продемонстрирована эффективность разработанного пакета прикладных программ.

12. Изучена малоэлементная АР дисковых излучателей на круглом экране с использованием алгоритма расчета дискового излучателя и учетом взаимодействия элементов. На. основе численного анализа и экспериментального моделирования сконструирована двенадцатиэлементная сканирующая АР для автомобильной УКВ радиостанции. Решетка имеет режим кругового обзора и устанавливает луч в направлении максимального принимаемого сигнала.

Создана эффективная методика инженерного проектирования малоэлементных АР на экранах ограниченных размеров. На ее основе разработана многолучевая АР для дуплексных систем подвижной радиосвязи, работающая в четырех частотных диапазонах. Решетка состоит из 12 подрешеток, каждая из которых формирует в азимутальной плоскости луч шириной 30°. Решетка собрана из излучающих элементов оригинальной конструкции. Предусмотрено сканирование лучом в пределах

±15°. Исследовано взаимное влияние многочастотных низкопрофильных излучателей. Экспериментальные результаты совпадают с расчетными.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Панченко Б.А., Нечаев Ю.Б. Характеристики излучения полосковых антенн на подложках ограниченных размеров. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. 91 с.

2. Просвирнин С.Л., Нечаев Ю.Б. Расчет микрополос-ковых антенн в приближении заданного распределения поверхностного тока. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. 112 с.

3. Крюков Ю.Г., Нечаев Ю.Б. Микросхемы СВЧ диапазона/ Учебное пособие. Воронеж: ВПИ, 1977. 90 с.

4. Крюков Ю.Г., Нечаев Ю.Б. Линейные микросхемы не биполярных транзисторах. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1979. 104 с

5. Гайнулин И.Ф., Нечаев Ю.Б. Практические занята* по курсу «Электротехника и основы электроники»/ Учебное пособие. Хабаровск: ХПИ, 1981. 73 с.

6. Воробьев С.Н., Нечаев Ю.Б., Просвирнин C.J1. Взаимное влияние элементов в ограниченных ленточных микропо-лосковых антеннах // Известия вузов. Радиофизика. 1992 Т.35. №8. С.668-701.

7. Просвирнин C.J1., Нечаев Ю.Б., Селезнев Д.Г. и др Расчет прямоугольных микрополосковых антенн в приближена заданного распределения поверхностного тока: Препринт №60 Харьков: Радиоастрономический ин-т АН Украины, 1992. 58 с

8. Нечаев Ю.Б., Винокурова H.H., Чалых B.C. Иссле дование характеритик антенно-согласующих устройств с ис< пользованием мини-ЭВМ // Тез. докл. науч.-техн. конф. Ин тегральные волноводные и полосковые СВЧ элементы систел связи». Куйбышев: Изд-во куйбышевск. пед. ин-та, 1987 С.23.

9. Нечаев Ю.Б., Чалых B.C., Винокурова H.H. Проек тирование на ЭВМ антенно-согласующих устройств // Там же С.164.

10. Нечаев Ю.Б., Просвирнин С.Л., Хижняк А.Н. Осе симметричное излучение дисковой микрополосковой антеннь // Техника средств связи. Серия ТРС. 1992. Вып.3.С.92-100

11. Нечаев Ю.Б., Просвирнин С.Л., Хижняк А.Н. Диско вая микрополосковая антенна с осесимметричным возбуждени ем,- Ред. ж. Изв.вузов. Радиофизика. Н.Новгород, 1991, 14с.-Рус.-Деп. в ВИНИТИ 29.12.91, №4887-В91.

12. Нечаев Ю.Б., Просвирнин C.J1., Хижняк А.Н. Мето, полуобращения оператора в задачах дифракции волн на струк турах из дисков // Тез. докл. науч.-техн. конф. «Методоло

гические, информационные и изобретательские аспекты научных исследований в области создания ОИС СВЧ и КВЧ». Тула: ТулПИ, 1991.С.82-85.

13. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б. Объемные полосковые излучатели - элементы фазированных антенных решеток // Там же. С.68.

14. Лифшиц М.Ю., Нечаев Ю.Б., Резник И. И. и др. Синтез размеров элементов антенной системы из прямоугольных микрополосковых излучателей, связанных между собой по эфиру и по цепи питания // Там же. С.80.

15. Панченко Б.А., Нечаев Ю.Б. Излучение кромки микрополосковой антенны // Тез. докл. науч.-техн. конф. «Устройства и методы прикладной электродинамики». М.: Изд-во МАИ, С. 15.

16. Нечаев Ю.Б., Просвирнин С.Л. Методика электродинамического расчета низкопрофильного дискового излучателя // Спец. техника средств связи. ТРС. 1991. Вып.З. С.42-50. (ДСП).

17. Нечаев Ю.Б., Просвирнин С.Л., Хижняк А.Н. Моделирование излучения дисковой микрополосковой антенны // Тез. докл. XXVI науч.-техн. конф. по теории и технике антенн, НИИ радиофизики им. акад. A.A.Расплетина. М., 1991. С.92.

18. Панченко Б.А., Нечаев Ю.Б., Дайлис С.Ю., Шабунин С.Н. Излучение решетки полосковых антенн на конечном экране // Тез. докл. межрегион, науч.-техн. конф. «Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования». Ленинград: Изд-во Ленинград. гос. ун-та, 1991. С.22.

19. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б., Фадеев A.C. Сканирующая антенная система метрового диапазона волн на кольцевых щелевых излучателях с нулевой вариацией поля // Там же. С.32.

20. Нечаев Ю.Б., Просвирнин С.Л., Хижняк А.Н. Моделирование излучения дисковой антенны // Тез. докл. IV Всес. науч.-техн. конф. «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных и вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС)». Волгоград: Изд-во ВНТОРЭС , 1991. С.114-115.

21. Бычкова Л.В., Князев С. Т., Нечаев Ю.Б., Фадеев A.C. Проектирование полосковых сканирующих антенных решеток метрового диапазона // Там же. С.116.

22. Нечаев Ю.Б., Крюкова Р.В. Частотные свойства четырехканального широкополосного делителя-сумматора мощности СВЧ диапазона // Техника средств связи. Серия ТРС. .1978. Вып.7/23. С.127-1 34.

23. Нечаев Ю.Б., Крюкова Р.В. Частотные свойства

противофазного делителя-сумматора мощности с параллельным соединением направленных ответвителей // Техника средств связи. Серия ТРС. 1977. Вып.4/11. С.72-78.

24. Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И., Фадеев A.C. Приемная ФАР с оперативным управлением диаграммы направленности // Тез. докл. III ВНТК «Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ ОИС». М.: Радио и связь, 1989. С.123.

25. Винокурова H.H., Нечаев Ю.Б., Попов П.А. Автоматизация проектирования антенных согласующих устройств // Там же. С.113.

26. Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И. Интеграция усилителя, преобразователя частоты антенны в системах связи // Там же. С.98.

27. Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И., Фадеев A.C. Адаптивная приемная антенная решетка // Тез. докл. XVII отраслевой НТК МПСС. Воронеж: Изд-во ЦООНТИ «Экое», 1989. С.27.

28. Воробьев С.Н., Нечаев Ю.Б., Просвирнин C.J1. Взаимное влияние элементов и вызванное им физическое явление при рассеянии электромагнитных волн на структурах из лент // Тематич. курс лекций V Всес. школы-семинара. / Тула: ТулПИ, 1990. 4.II. С.3-35.

29. Бычкова JI.B., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б., Фадеев A.C. Полосковая сканирующая антенная решетка бегущей волны метрового диапазона для систем радиосвязи // Там же. 4.1. С.181.

30. Винокурова H.H., Нечаев Ю.Б., Фадеев A.C. Пакет прикладных программ для проектирования согласующих устройств на персональных ЭВМ // Тез. докл. Международ, симп. «Инфо 89». Минск, 1989. Т.2. 4.1. С.90-95.

31. Заенцев В.В., Нечаев Ю.Б. Балансный широкополосный усилитель мощности высоких частот на транзисторах // Вопросы радиоэлектроники. ТРС. 1970. Вып.8. С.80-88.

32. Афанасьев Ю.В., Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И. Фазовое управление диаграммой направленности параметрических антенн // Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. «Современные проблемы фазоизмерительной техники и ее применение». Красноярск: Изд-во Красноярск, политехи, ин-т, 1989. С.99.

33. Нечаев Ю.Б., Винокурова H.H. Программное обеспечение проектирования согласующих устройств для персональных ЭВМ / Межвуз. сб. науч. тр. «Математическое моделирование в САПР». М.: Изд-во МИЭМ , 1990. С.128-133.

34. Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И. Малогабаритная приемная ФАР KB диапазона // Межвуз. науч. сб. Функциональные электродинамические системы и элементы». Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1988. С.90.

35. Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И., Фадеев A.C. Совмеще-

ние функции преселектора и антенны в параметрическом приемном устройстве // Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов», Горький. М.: Радио и связь, 1989.С.77.

36. Бовкуи В.П., Гридин A.A., Жук И.Н., Нечаев Ю.Б. Низкопрофильные излучатели на основе линий передачи со специальной запиткой // Лекции, докл., сообщ. VI Межгосуд. школы-семинара «Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации (ССОИ) на объмных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ», Калининград, 1992. М.: Изд-во МГП РНТО РЭС им. А.С.Попова, 1992. Т.2. С.276-279.

37. Бовкун В.П., Грибовский A.B., Гридин A.A., Жук И.Н., Нечаев Ю.Б. и др. Теория и экспериментальные исследования многочастотного низкопрофильного вибратора // Там же. С.273-276.

38. Нечаев Ю.Б., Крюкова Р.В. Алгоритм расчета профиля распределения примесей в интегральных СВЧ транзисторах // Межвуз. сб. науч. тр. Устройства, элементы и методы комплексной микроминиатюризации РЭА». Казань: КАИ им. А.Н.Туполева, 1980. С.45-49.

39. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б., Фадеев A.C. Коммутационная антенная решетка бегущей волны метрового диапазона // Техника средств связи. ТРС. 1991. Вып.З. С.24-29.

40. Нечаев Ю.Б., Чалых B.C., Винокурова H.H. Повышение ЭМС систем с направленными антеннами // Сб. науч. тр. «Методы и средства в области электромагнитной совместимости». Одесса, 1988. С.42.

41. Нечаев Ю.Б., Винокурова H.H., Чалых B.C. Использование ЭВМ для определения областей согласования антенных согласующих устройств // Тез. докл. XVI науч.-техн. конф. ЦОНТИ «Экое», Воронеж, 1988, с.46.

42. Козлов Г.Р., Нечаев Ю.Б. Анализ RC-фильтра с перестраиваемыми нулем и полосой // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1978. Т.21. №7. С.117-120.

43. Нечаев Ю.Б., Резник И.И., Селезнев Д.Г., Янсон О.И. Прямоугольная микрополосковая антенна на второй моде тока// Техника средств связи. ТРС. 1991. Вып.7. С.124-129.

44. Князев С.Т., Нечаев ТО.Б., Фадеев A.C. Характеристики линейной АР полосковых вибраторов, излучающей из слоя диэлектрика // Техника средств связи. ТРС. 1991. Вып.З. С.19-23.

45. Кочин В.Н., Нечаев Ю.Б., Просвирнин С.Л. Моделирование излучения вибратора на автомобиле в диапазоне 100-600 МГц // Спец. техника средств связи. ТРС. 1991.

Вып.З. С.36-41 ; (ДСП).

46. Бычкова JI.B., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б., Фадеех А.С. Полосковая антенна бегущей волны метрового диапазоне // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1993. Т.36. №11. С.71-72

47. Гридин А.А., Кочин В.Н., Нечаев Ю.Б., Просвирник C.JI. Характеристики короткого вибратора, нагруженного ш вершине тонким металлическим диском // Радиотехника и электроника. 1994. Т.39. №8. С.1285.

48. Нечаев Ю.Б., Сергеев В.И. Антенная система А.с. №309306 (ДСП).

49. Головков А.А., Нечаев Ю.Б., Фадеев А.С. Cnocof радиосвязи и антенна для его осуществления. А.с. №32149С (ДСП).

50. Головков А.А., Нечаев Ю.Б., Винокурова Н.Н. СпосоЕ последовательного согласования импедансов в диапазоне дискретных частот. А.с. №1778827 СССР // Б.И. 1992. С.172.

51. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б. Антенна А.с.№1756993 СССР // Б.И. 1992. №31. С.204.

52. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б. Антенна А.с. №1775772 СССР // Б.И. 1992. №42. С.211.

53. Скачков С.А., Хитров Ю.А., Нечаев Ю.Б. и др Антенна: А.с. №1775773 СССР // Б.И. 1992. №42. С.214.

54. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б., Шабунш С.Н. Антенна: Пат. 1806430 РФ // Б.И. 1993. №12. С.232.

55. Бычкова Л.В., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б. Антенна Пат. 1827044 РФ // Б.И. 1993. №25. С.122.

56. Головков А.А., Нечаев Ю.Б., Фадеев А.С. Щелевая антенна: Заявка №4766552(09) (144063). Положительное решение от 18.02.91.

Литература

Л1. Проблемы современной радиотехники и электроники/ Под. ред. В.А.Котельникова. М.: Наука, 1980. 480 с.

Л2. Нефедов Е.И. Радиоэлектроника наших дней. М.: Наука, 1986. 192 с.

J13. Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Климачев К.Г., Данич Ю.С. Активные фазированные антенные решетки. М.: Радио и связь, 1993. 270 с.

Л4. Антенны и устройства СВЧ (проектирование ФАР)/ Под. ред. Д.И.Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981. 432с.

Л5. Антенны: Современное состояние и проблемы / Под. ред. Л.И.Бахраха и Д.И.Воскресенского. М.: Сов.радио, 1979. 208 с.

Л6. Munson R. Conformai microstrip antennas and microstrip phased arrays //IEEE Trans.l974.V.AP-22.N.l.p.74.

J17. Bahl I.J .Bhartia P. Broabandig of microstrip antennas // EEMTIC.1981.N4.p.69.

J18. James J.R., Wood C., Hall P. Microstrip Antenna Theory and Design // London.V.K.Pertigrinnes,1981.

Л9. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. 114 с.

Л10. Ломан В.И., Ильинов М.Д., Гоцуляк А.Ф. Микрополосковые антенны. Обзор // Зарубежная радиоэлектроника. 1981. Т 10. С.99.

ЛИ. Нефедов Е.И. Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических структурах. М.: Наука, 1979. 272 с.

Л12. Нефедов Е.И., Фиалковский А. Т. Полосковые линии передачи: электродинамические основы автоматизированного проектирования интегральных схем СВЧ. М.: Наука, 1980. 256 с.

Л13. Шестопалов В.П., Литвиненко Л.Н., Масалов С. А., Сологуб В.Г. Дифракция волн на решетках. Харьков: Изд-во Харьков, гос. ун-та, 1972. 500 с.

Л14. Литвиненко Л.Н., Просвирнин С.Л. Спектральные операторы рассеяния в задачах дифракции волн на плоских экранах. Киев: Наук, думка, 1984. 240 с.

Л15. Чаплин А.Ф. Анализ и синтез антенных решеток. Львов: Вища школа. Изд-во при Львов, ун-те, 1987. 180 с.

Л\6.Pozar D.M. Input impedance and mutual coupling of restangular microstrip antennas // IEEE Trans, on Anten. and Propag. 1982. V.AP-30. N.6. p.1191.

Л17. Pozar D.M. Consideration for millimeter wave printed antennas // IEEE Trans, on Anten, and Propag. 1983. V.AP-31. N.5. p.740.

Л18. Коняшенко E.A., Шмыков B.H. Спектральные представления в задачах возбуждения плоских взаимодействующих излучателей. Иркутск: Изд-во Иркутск, ун-та, 1989. 248 с.

Л19. Панчеико Б.А. Взаимодействие элементов в антеннах и дифракционных решетках: Дис. ... докт. техн. наук. М., МЭИ, 1971.

Л20. Панченко Б.А. Определение полей излучения в многослойных диэлектрических структурах // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1987. №7. С. 92.

Л21. Курушин Е.П., Нефедов Е.И. Электродинамика анизотропных волноведущих структур. М.: Наука, 1983. 223 с.

Л22. Нефедов E.H., Сивов А.Н. Электродинамика периодических структур. М.: Наука, 1977. 208 с.

Л23. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука, 1985. 255 с.

Л24. Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Нефедов Е.И., Яшин

А.А. Физические основы моделирования объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ //Успехи физ. наук. 1992. Т. 162. N3 С.129.

Л25. Нефедов Е.И. Электродинамика объемных интегральных схем СВЧ и крайневысоких частот // Радиотехника \ электроника. 1993. Т.38. С.593.

Л26. Сазонов Д.М. Теория антенных решеток произвольной геометрии: Дисс. ... докт. технических наук. М. МЭИ, 1970.

Л27. Lier Е., Jocobsen K.R. Restangular Microstrip Path Antennas with Infinite and Finite Ground Plane Dimension //IEEE Trans. 1983. V.AP-31. N.6. p.978.

J128. Huang J. The finite Ground Plane Effect on th< Microstrip Antenna Radiation Pottens // IEEE Trans. 1983 V.AP-31. N.4. p.649.

Л29. Bhattacharyya A.R. Effect of Finite Grounc Plane on the Radiation Characteristics of a Circular Patcl Antenna // IEEE Trans, on Anten. and Propag. 1990. V.AP 38. N.2. p.152.

Л30. Kishk A.A.,Shafai L. The Effect of Varios Parametres of Circular Microstrip antennas on their Radiatior Efficiens and the Mode Exitation // IEEE Trans, on Anten and Propag. 1986. V.AP-34. N.8. p.969.

Л31. Панченко Б.А. Влияние обрыва диэлектричесо* подложки на излучение микрополосковой структуры // Радио техника. 1990. N6. С.63.

Л32. Newman Е.Н. Tuluathan P.Analusis of microstri] antennas using moment methods //IEEE Trans. Antennas Pro pagat. 1981. Vol.AP-29. N.l. p.47-52.

Заказ 241 от 27.06.95 г. Тир. 100 экз. Формат 60 X 90 1Дб. Объем 2 п.л. Офсетная лаборатория В1У.