Исследование электродинамических характеристик выпускных антенн летательных аппаратов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭШТРОДйНШЧЕСШ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПУСКНЫХ АНТЕНН ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

МИТРОФАНОВА Татьяна Викторовна

Н.Новгород -1992

Работа выполнена в Нижегородской научко-производствен-поп объединении "Полет".

Пэучнцй руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-ыатеыатических наук, профессор Докучаев В,П.

доктор технических наук, профессор Саыуйлов И.Н. кандидат физико-матеиатическш наук, доцент Еевелев В.В.

Ведущая организация: Нижегородский, научно-исследовательский рэдасЗйазческнЯ институт

Занята состоится 9" о*. _ 1ЭЭ2г.

б №30часов на заседании специализированного совета Д 063.57.35 по защите диссертаций на соискание учено£ степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 189034, г.С.-Петербург, Университетская набережная, 7/9.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан " М " се^'-е^ 1992г.

Ученый секретарь спе ЦП а лизиров аккого совета, кандидат физико-математических наук

Рыбачек С.Т.

РОССИЙСКАЯ

¡У/1ЛРГ-п.--г

"Л:-..-;. .

етг.: | ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В последние года в теории и практике радиосвязи все большее внимание уделяется антенным системам с пространственной асимметрией, таким, например, как многозвенные кусочно-линейные проволочные структуры, разветвленные многопроводные антенны в виде полотен из вертикальны! и горизонтальных вибраторов, а такне проволочные антенны на проводящих телах. Примером последних являются выпускные тросовые антенны летательных аппаратов, составляющие объект изучения настоящей диссертации. Актуальность исследований в этой области обусловлена практической значимостью названных антенн в низкочастотной части диапазона радиоволн, где они обладают рядом преимуществ по сравнению с наземными излучающими антеннами: высокой эффективностью, мобильностью, а также способностью возбуждать волны ТЕ-поляризации, менее чувствительные к ионосферном изменениям и шуму грозовых разрядов, чем волны ТМ-поляризации. Применительно к выпускным антеннам летательных аппаратов значение теоретических методов исследования особенно велико в связи со сложностью и высокой стоимостью проведения натурных экспериментальных исследований. На современном этапе развития теории выпускных антенн актуальными являются следующие направления: 1) совершенствование передающих характеристик в связи с растущими требованиями увеличения дальности и надежности радиосвязи; 2 Исследование нестационарных откликов антенны на возбуждение широкополосными импульсными сигналами в целях разработки систем защиты бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Предъявляемые к антенне требования по повышению уровня подводимой мощности, увеличению эффективности излучения и

- з -

улучшению диапазонных свойств приводят к постановке новых задач, не решаемых в рамках известных приближенных методов , и требующих разработки более совершенных моделей выпускных антенн и адекватных им методов математического исследования. К таковым, в частности, относятся задачи учета влияния на характеристики антенны кривизны ее троса и расчета выпускных антенн с индуктивной нагрузкой. Первая задача встает в связи с проблемой повышения эффективности излучения вертикально поляризованной составляющей электрического поля путем придания антенне спиральной конфигурации посредством движения носителя по кругу определенного радиуса. Вторая задача обусловлена необходимостью улучшения диапазонных свойств антенны и повышения уровня.подводимой к ее входу мощности. Перечисленные задачи поставлены применительно к выпускным антеннам впервые. Метода исследования, разработанные в настоящей дис-есертации на основе строгого электродинамического подхода, позволяют не только решать новые задачи, но и осуществить проверку ранее используемых приближенных подходов к расчету передающих характеристик выпускных антенн летательных аппаратов.

Целью диссертации является:

1 построение адекватных физико-математических моделей выпускных антенн летательных аппаратов на базе строгого электродинамического подхода;

2 разработка методов асимптотического исследования и численного моделирования выпускных антенн;

3)расчет и анализ спектральных приемо-передащих характеристик различных модификаций выпускных антенн, исследование нестационарного отклика на возбуждение широкополосным сигналом.

Методы исследоьопий. При решении поставленных задач ис-

пользовались метода электродинамики (метод интегральных уравнений) и теории приемо-передающих антенн, математический аппарат теории последовательных приближений, линейной алгебры и преобразования Фурье, а также методы математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены обобщенные интегральные уравнения, описывающие распределение тока пространственной системе произвольно связанных прямолинейных проводов.

2. Разработан асимптотический метод расчета распределения тока в кусочно-линейной проволочной антенне.

3. Исследованы основные электродинамические характеристики (продольное распределение тока и частотная зависимость входного сопротивления)выпускных антенн различных модификаций.

4. Исследован эффект понижения минимальной частоты рабочего ¡щапазона выпускной антенны за счет включения в нее индуктивной нагрузки; выведена формула расчета последней.

5. На основании экспериментальных данных скорректирована формула расчета входного сопротивления выпускной антенны, учитывающая антенный зазор и растяжение троса.

5. Проведено исследование нестационарного отклика выпускной антенны на воздействие импульса грозового разряда.

Практическая ценность. Предложенные в диссертации теоретические метода электродинамического- анализа проволочных антенных систем были использованы при расчетах и разработке тооволочшн излучателей, а также при разработке и исследовании новых типов выпускных антенн летательных аппаратов. Результаты анализа нестационарного отклика антенны на возбуждение широкополосными сигналами могут быть использованы при юстроении систем защиты бортового радиоэлектронного, оборудования от молний и преднамеренных помех, а также для ресе-

юш задач электромагнитной совместимости.

Автор выносит нз защиту:

1. Новую форму интегральных уравнений для продольного распределения тока в системе произвольно связанных тонких прямолинейных проводов, отличающуюся компактностью записи и упрощающую, тем самым, алгоритмизацию решения в случае геометрически слонных систем.

2. Асимптотический метод решения интегральных уравнений для распределения тока в кусочно-линейных антеннах, состоящих их последовательно соединенных тонких прямолинейных проводов неодинаковых длин, радиусов и проводи,юстей и произвольной ориентацией в пространстве.

3. Проведенное исследование электродинамических характеристик различных модификаций выпускных антенн летательных аппаратов, позволяющее разработать рекомендации по улучшению дальности и надежности "радиосвязи.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на ыеготраслевой научно-технической конференции "Средства связи в авиации" (Горький,1988), на 16-он и 17-ом Всесоюзных семинарах "Распространение километровых и более длинных радиоволн" (Омск, 1990; Томск,1991), а также на семинарах научно-исследовательского радиофизического института (НИШ, Н.Новгород) и научно-производственного объединения "Полет" (Н.Новгород).

Публикаций. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях 11-61, а такие в трудах конференций [7-93 и семинаров [10-Ш.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,.четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 135 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков на 28 страницах и список литературы, который содержит

138 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении освещено современное состояние проблемы, обоснована актуальность теш исследования, определена цель диссертационной работы и изложено ее краткое содержание.

Первая глава посвящена разработке асимптотического метода решения системы интегральных уравнений, описывающих распределение тока в кусочно-линейной антенне, образованной последовательно соединенными прямолинейными проводами с неодинаковыми длинами и радиусами и произвольной ориентацией в пространстве.

В §1 дано обоснование выбора класса проволочных антенн в качестве объекта теоретического исследования. В нем обсуждается вопрос о моделировании электродинамических свойств сложных электрически малых проводящих тел с присоединенными к ним проволочными антеннами, размеры которых сравнимы с длиной излучаемой волны. Примером таких тел являются летательные аппараты с выпускными тросовыми антеннами.

В §2 приведен вывод обобщенных интегральных уравнений, описывающих распределение тока в системе, состоящей из произвольно ориентированных в пространстве прямолинейных проводов неодинаковых длин, радиусов и проводимостей. С этой целью использовано представление полевых переменных задачи через скалярный потенциал магнитной составляющей ТМ-поля (Butler С.М., ffilton D.R. Егапв..Ant,. Prop., 1980, v.AP-28, N1, p. 108-111.) . Получаемые таким путем уравнения приводятся к виду, представляющему обобщение уравнений Халлена для симметричного вибратора на случай произвольной системы прямолинейных проводов. Они имеют компактную форму записи, удо-

бную дош алгоритмизации решения геометрически сложных систем, что выгодно отлетает их от аналогичных интегральных уравнений Кошшами-Рокушма (Korainami M., Rokushim К. Electronics Goimnunications in Japan, 1976, V.59-B, N5, p.53-60). В этом же параграфе дан вывод представления скалярных потенциалов через продольные токи антенны, необходимые для написания граничных условий при решении системы интегральных уравнений.

В §3 предложен асимптотический метод решения интегральных уравнений для кусочно-линейной антенны, состоящей из последовательно соединенных тонких проводов и моделирующей собой выпускную одаотросовую антенну JL4 (как прямолинейную, так и пространственно-изогнутую). Развиваемый подход базируется на регуляризации исходных уравнений, относящихся к сингулярно возмущенным. Предлагаемый метод отыскания регуляри-зирувдих функций (использующий квазисингулярность ядер интегральных уравнений) и построения "на их основе равномерно пригодного асимптотического решения в виде ряда по обратным степеням большого параметра обобщает подход, предложенный Халлеком для симметричного вибратора. При этом наряду с большим параметром Халлена введеш дополнительные большие параметры, учитывающие значительный вклад в излучение га-го провода от соседних (iwl-го и m-I-го) проводов для точек наблюдения, одновременно принадлежащих .двум проводам, т.е. являющихся точками их стыка.

В §4 проведено исследование частотной зависимости входного сопротивления симметричного вибратора. В основу расчетов положен подход, предложенный Gray M.С. (Gray M.С. A modification oî Hallen'e solution of the antenna problera. - J. Appl. РЬув., 1944, v.15, 111, p.61-64) и развитый Докучаевым

В.П. (Докучаев В.П. Труды 10-го Всес. сиып. по дифр..- и распр.волн. - Волны и дифракция-90.- М. :Физическое общество, - 1990, т.1, стр.308-312), представляющий собой вариант, асимптотического метода Халлена с использованием частотно зависимого параметра разложения. . Проведено сравнение с результатами расчетов входного сопротивления другими методами. Предложенный подход позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом, и на этой основе провести в главе 3 уточнение приближенной формулы расчета входного сопротивления одкотросовой антенны, базирующейся на использовании модели симметричного вибратора.

Вторая глава посвящена разработке численного метода решения интегральных уравнений, описывающих распределение тока в произвольной системе, состоящей из прямолинейных тонких проводов. Подобными системами могут моделироваться как од-нотросовые, так и двухтросовые выпускные антенны ЛА.

В §1 дан сравнительный анализ двух типов интегральных уравнений, используемых в теория проволочных антенн - уравнений типа Халлена и Поклингтона.Показано, что для существенно несимметричных проволочных антенн, изучаемых в данной работе, более предпочтительными оказываются уравнения типа Халлена. В отличие от уравнений Поклингтона они обеспечивают более высокую скорость сходимости решения (при одинаковых весовых и базисных функциях), позволяя существенно сократить объем вычислений, не столь критичны к моделированию пространственной зависимости возбуждающего антенну поля и допускают использование простейшей модели дельта-генератора.

В §2 предложена процедура построения численного решения обобщенных интегральных уравнений типа Халлена. выведенных в первой главе. Использованием метода сшивания по точкам (эквивалентным методу моментов с ьесовкш дельта-функциями),

система исходных сингулярно-возмущенных (нерегуляризирован-ных) интегральных уравнений сведена к плохо обусловленной системе линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных задачи. Существенная несимметрия рассматриваемых выпускных антенн является дополнительным фактором, ухудшающим обусловленность (устойчивость) задачи. Для понижения степени обусловленности задачи, способствующего получению устойчивого решения, проведен ряд специальных мер, в том числе: выбор полиномиальных базисных функций, позволяющий уменьшить порядок системы, а также обеспечение высокой точности расчета матричных элементов путем использования адаптивной квадратурной программы расчета интегралов. Для- решения полученной системы линейных алгебраических уравнений использован метод Йордано.

В третьей главе проведено исследование основных электродинамических характеристик различных модификаций выпускных антенн ЛА и выработаны практические рекомендации по увеличению дальности и надежности связи.

В §1 проведено исследование распределений токов и входных сопротивлений для однотросовой антенны, расчитанных асимптотическим и численным методам решения интегральных уравнений задачи. Показано, что результаты расчетов этих характеристик, проведенные двумя методами, практически совпадают между собой. Обнаружено, что синусоидальный закон распределения тока по антенне выполняется за пределами мало:" окрестности точек возбуждения размерами в одну десятую длинк антенны и может быть использован при расчете характеристик ее направленности. Показано, что возбуждение антенны в области антирезонансных частот (где длина антенны равна половине длины волны) ее реактивное сопротивление достаточнс велико и имеет емкостной характер, обусловленный сильной не-

симметрией антенны.

В §2 приведено сравнение результатов расчета входного сопротивления самолетной антенны с данными натурных измерений. Подтверждена правильность выбора исходной электродинамической модели низкочастотной выпускной антенны с заменой корпуса летательного аппарата эквивалентным по емкости отрезком троса. Осуществлена коррекция модели дельта-генератора путем введения конечной емкости на входе антенны и учета растяжения антенного троса, претерпевающего значительные динамические нагрузки в процессе полета.

В §3 на основании расчетов излученной мощности в приближении заданного синусоидального тока проанализировано влияние идеально отражающей поверхности земли и наклона од-нотросовой антенны на ее сопротивление излучения.

В §4 решена задача расчета входного сопротивления и распредепения тока однотросовой антенны с включенной в нее индуктивной нагрузкой. Величина последней выбиралась из условия настройки антенны в резонанс при длине антенны менее четверти длины волна излучения. Выведена формула резонансного значения индуктивности в зависимости от ряда параметров (места включения , частоты и длины троса). Получены рекомендации по улучшению диапазонных свойств антенны и увеличения подводимой мощности без физического удлинения антенны.

В §5 с помощью асимптотического метода, предложенного в первой главе, решена задача расчета продольного распределения тока выпускной однотросовой антенны, имеющей спиральную конфигурацию, приобретаемую ею при круговых движениях носителя по кругу малого радиуса в целях увеличения эффективности излучения вертикально поляризованной компоненты излучаемого поля. Проведено сравнение с распределением тока прямолинейной антенны аналогичной длины.

В §6 приведены данные исследования основных электродинамических характеристик двухтросовой антенны. Проведено сравнение результатов расчета частотной зависимости ее входного сопротивления, полученных методом численного решения интегральных уравнений задачи с аналогичными результатами, найденными с помощью приближения длинных линий. Проанализировано изменение распределения тока вдоль основного троса антенны, обусловленное подключением дополнителного троса. Найден оптимальный вариант запитки антенны.

Четвертая глава посвящена исследованию нестационарного приема широкополосных сигналов выпускными антеннами.

В §1 дан краткий обзор современных методов решения подобных задач; дано обоснование частотного метода исследования переходных процессов, опирающегося на теорию приемных антенн и анализ Фурье.

В §2 предложен метод расчета действующей длины однотро-совой антенны, опирающийся на модифицированный асимптотический метод Халлена при описании распределения тока в широкой полосе частот. Проведено сравнение с результатами расчета действующей длины в приближении теории длинных линий.

В §3 на основе предложенной методики проведен расчет нестационарного отклика антенны, возбукдаемой широкополосным импульсом грозового разряда; на контрольном примере продемонстрировано хорошее совпадение получаемых предлагаемым методом результатов с известными из литературы данными по аналогичным расчетам, проводимым в рамках строгого решения соответствующей дифракционной задачи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Получена система обобщенных интегральных уравнений Халлена, описывающих распределение продольного тока в пространственной антенной структуре из произвольным образом соединенных между собой тонких прямолинейных проводов.

2. Разработан асимптотический метод расчета распределения тока в кусочно-линейной антенне с последовательным соединением проводов, обобщающий решение Халлена для симметричного вибратора на случай рассматриваемой антенны.

3. Асимптотическим методом Халлена с использованием в качестве большого параметра волнового сопротивления антенны для ТЕМ-волн исследована частотная зависимость входного сопротивления симметричного вибратора. Показано, что использование модифицированного параметра позволяет существенно повысить точность расчетов.

4. Предложенными асимптотическим и численным методами расчитаны и проанализированы продольные распределения тока и частотные зависимости входных сопротивлений для однотросо-вого и двртросового вариантов выпускных антенн. Показано, что подключение второго троса, короткого по сравнению с длиной волны, уменьшает емкостную составляющую входного сопротивления антенна. На основании экспериментальных данных предложен алгоритм коррекции расчетной зависимости входного сопротивления однотросовой антенны с учетом емкости антенного зазора и растяжения троса.

5. Решена задача понижения минимальной рабочей частоты выпускной антенны за счет включения в нее индуктивной нагрузки. Получена формула для расчета требуемой величины индуктивной нагрузки в зависимости от параметров антенны.

6. В рамках теории приемных антенн исследовано воздейс-

твие импульса грозового разряда на выпускную одаотросовую

антенну. Расчитаны временные зависимости наведенных импульсом напряжения и тока на входе антенны.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИЙ

1. Митрофанова Т.В. Метод расчета действующей высоты тонкого симметричного вибратора произвольной длины. - Техника средств связи, сер.ТРС, 1985, H 9, с.106-110.

2. Митрофанова Т.В. Программа расчета нестационарного отклика проволочного вибратора на воздействие короткого шпульез электромагнитного поля. - Рук. деп. в ЕНИШ от 25.02.87, К Д07193, 4 с.

3. Митрофанова Т.В. Итерационный метод расчета распределения тока в кусочно-линейной проволочной антенне. - Техн-ника средств связи, сер. ТРС, 1989, Вып.2, с.ПЗ-120.

4. Докучаев В,П., Митрофанова Т.В. Входной импеданс тонкого симметричного вибратора в широкой полосе частот. - Техника средств связи, сер.ТРС, 1991, Вып.2, с.61-67.

5. Митрофанова Т.В. Электродинамический анализ сложных виб-

раторных антенн методом интегрального уравнения типа Халлена. - Техника средств связи, сер. ТРС, 1991, Вып.2, с.68-73.

6. Митрофанова Т.В. Асимптотическое решение задачи расчета кусочно-линейной антенны с сосредоточенной нагрузкой. -■Изв.вуз., Радиоэлектроника, 1991, К И, с.100-102.

7. Бородина Е.Л., Демарев И.В., Митрофанова Т.В., Мушка В,И., Хейфец М.Б. Теоретические и экспериментальные исследования входных параметров несимметричных приземных антенн.//Средства связи в авиации: Межотрасл. науч.техн.

конф., Горький, 17-20 окт;, 1989: Тез. докл. - Горький, 1989, сИ.

I. Митрофанова Т.В. Асимптотический подход к расчету электродинамических характеристик кусочно-линейных проволочных антенн. //Средства связи в авиации: Меяотрасл. науч.техн. конф., Горький, 17-20 окт., 1989: Тез. докл.-Горький, 1989, с.29.

Докучаев В.П., Бородина Е.Л., Митрофанова Т.В., Яшнов В.А. К расчету напряженности полей и эффективности излучения несимметричных вертикальных антенн. //Средства связи в авиации: Меяотрасл. науч. техн. конф., Горький, 17-20 okt., 1989: Тез. докл. - Горький, 1989, с.40.

0. Митрофанова Т.В. Анализ продольного распределения тока в полуволновой спиральной антенне. - Распространение километровых и более длинных радиоволн: 17-ый Межведомств, семинар, г.Томск, 10-15 мая, 1991.: Тез. докл. - Томск, ТГУ, 1991, с.22

1. Митрофанова Т.В. Решение задачи о возбуждении проволочных антенн методом обобщенного интегрального уравнения

' Халлена. - Распространение километровых и более длинных радиоволн: 17-ый Межведомств, семинар, г.Томск, 10-15 мая, 1991.: Тез. докл. - Томск, ТГУ, 1991, с.23.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ведение.

'лава I. Асимптотический метод решения интегральных уравне-

ий для тонкопроволочнах кусочно-линейных антенн.

§1. Выбор электродинамической модели выпускной тросовой антенны летательного аппарата.

&2. Вывод обобщенного интегрального уравнения Халлена для произвольной системы прямолинейных тонких проводов. §3. Асимптотический метод решения интегральных уравнений системы последовательно соединенных прямолинейных тонких проводов.

§4. Исследование входного сопротивления симметричного вибратора модифицированным асимптотическим методом Халлена.

Глава 2. Численный метод решения интегральных уравнений для произвольной системы прямолинейных тонких проводов.

§1. Сравнительный анализ интегральных уравнений Халлена и Поклингтона.

§2. Численное решение обобщенных интегральных уравнений Халлена для произвольной системы прямолинейных тонких проводов. Глава 3. Исследование электродинамических характеристик выпускных антенн летательных аппаратов.

§1. Продольное распределение тока и частотная зависимость входного сопротивления однопроволочной антенны. §2. Сравнение результатов расчета импеданса однотросо-вой антенны с экспериментальными данными. §3. Сопротивление излучения однотросовой антенны. §4. Однотросовая антенна с индуктивной нагрузкой. §5. Расчет продольного распределения тока полуволновой спиральной антенны.

§6. Распределение тока и частотная зависимость входного сопротивления двухтросовой антенны. Глава 4.Исследование нестационарного отклика выпускной антенны летательного аппарата на воздействие импульсного сигнала.

§1. Выбор метода исследования переходных процессов

в выпускной антенне.

§2. Расчет действующей длины однотросовой антенны. §3. Исследование воздействия импульса грозового разряда на выпускную однотросовую антенну, ¡включение. !писок литературы.