Исследование сферической зеркальной антенны и элементов антенно-фидерных устройств миллиметрового диапазона радиоволн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАРГЫНШ Сергей Павлович

ИССЛЕДОВАНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ И ЭЛЕМЕНТОВ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА РАДИОВОЛН

01.04.03 - "Радиофизика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Ростов-на-Дону 1991 г.

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Зааиеня Институте радиофизики и электроники Академик наук Украины, г.Харьков.

Научный руководитель: академик АН Украины, доктор

$изико - математических наук, профессор В.П.ШБСТОПАЛОВ.

Официальные оппоненты: доктор физико-иатеиатических

наук, профессор Н.Н.ГОРОБЩ,

кандидат фязико-иатекатичес-ких наук, доцент С.А.йДОРОВ.

Ведущая организация: НИИ "Орион" ( г.Киев ).

Защита состоится "20* 1992г. в 14-00

на заседании специализированного Совета К 063.52.11 в Ростовском государственном университете по адресу: 344104, г.Ростов-на-Дону, пр.Огачки, 194, НИИ Физики, аудитор.411.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ, г.Ростов-на-Дону, ул.Пушкинская, 146.

Автореферат разослан " "_1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

К 063.52.11 ^

кандидат фиэ.-мат.наук, "• V .

доцент ^ Г.Й.ЗАРШО

• '! 3

} ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тема. В связи с освоением ниляиыетрового ( Ш ) я субмылиметрового (СУБЬШ) диапазонов радиоволн в интересах создания радиотехнических систем (РТС) евязя, навигации, радиолокация, радиофизического дистанционного зондирования и др. важный этапом является исследование и разработка сверхвысокочастотной (СВЧ) элементной базы, в частности компонентов антенно-фидернаго тракта /"17, поскольку его создание в значительной мере определяет возможности РТС ММ диапазона и является, как правило, наиболее дорогостоящим и габаритным устройством системы в целом.

В настоящее время в сантиметровом и миллиметровом диапазонах используются зеркальные антенны на основе параболического рефлектора. Несмотря на хорошо изученные свойства подобной антенны [2], ее существенным недостатком является трудность осуществления широкоугольного сканирования антенным лучом при неподвижном зеркале, что значительно ограничивает возможности РТС. К тому же с укорочением длины волны характеристики параболических антенн значительно ухудааются в связи с повышением требований к точности изготовления заданного профиля.

Поэтому в настоящее время актуальна исследования, связанные с изучением возможностей сферического рефлектора (СР), в особенности в коротковолновой части (34 диапазона радиоволн.

Необходимо отметить, что широкому использованию СР при создании остронаправленяых зеркальных антенн препятствует явление сферической аберрации, в результате чего в раскрыше СР возникает фазовая ошибка, величина которой может достигать очень больших значений. Подобная несияфазность волнового фронта в апертуре СР вызывает заметные искажения диаграммы направленности (Д1) и уменьшение козффицяента (КУ) антенны.

К настоящему времени разработаны различные метода коррекции сферической аберрации, в том числе основанные на применении двух- или многэзеркальккх схем построения антенн с зеркалами специальной фэрмк /~3_7, использовании линейных облучателей с коррекцией фазы в раскрыве [4] и др. Широко примзннемые в длинноволновой части СЗЧ диапазона, указанные методы приводят к значительному усложнении я удорожанию .антенны за счет возрастания технологических трудностей при переходе в Ш5 и СШМ диапазоны.

Б то же время одним из наиболее простых способов уменьшения влияния сферической аберрации является еынос облучателя из пара-

ксиального фокуса ¿-0,5й (й. - радиус кривизны зеркала), который основан на изменении характера фазовой ошибки при смещении облучателя вдоль оси СР. Однако отсутствие четкого критерия выбора оптимального положения облучателя ограничивает возможности СР и требует дополнительных исследований.

Почти не изученным является также вопрос о возможностях СР при вынесенной схеме облучения, хотя в этом случае значительно упрощается компоновка антенно-фидерного тракта, уменьшается реакция рефлектора на облучатель, а также улучшаются параметры антенны за счет устранения эффекта затенения рефлектора узлом облучения. К тому же особенности фазового распределения в раскрыве СР могут привести к нетрадиционным характеристикам излучения, свойственным только этому типу зеркала.

Мало исследованным остается вопрос о построении обтекателей в Ш диапазоне. В этом случае требование к механической прочности обтекателя приводят к необходимости выбора его толщины, соизмеримой с длиной рабочей волны, что может вызывать значительное . рассогласование антенны за счет взаимодействия волн, отраженных от внутренней и внешней поверхностей обтекателя, а также искажение ее Д1.

Наконец, необходимы также исследования в интересах создания таких элементов антенно-фидерных устройств (А.ФУ) ММ и СУШ.5 диапазонов, как облучатель, вращающееся сочленение волноводов, переключатель волноводных каналов и т.п. При этом основной задачей является поиск путей построения подобных устройств, которые обеспечивали бы хорошее согласование с волноведутцим трактом в широкой полосе частот и были бы легко реализуемыми на практике.

Цель работы состоит в исследовании преобразования волновых пучков в открытых электродинамических системах применительно к квазиоптическим зеркальным антеннам на основе сферического рефлектора. При этом основное внимание уделено проблеме влияния сферической аберрации на характеристики излучения, которая существенно ограничивает возможности подобных зеркальных антенн.Кро-'; ме того, рассмотрены вопросы построения квазиоптических облучавших систем, позволяющих расширить функциональные возможности антенных устройств миллиметрового диапазона радиоволн.

Объектом исследования является проблема уменьшения влияния сферической аберрации на характеристики сферической зеркальной антенны, поиск новых путей построения квазиоптических облучающих устройств и элементов антенно-фидёрного тракта миллиметро-

сого диапазона радиоволн.

Нс-тол'Д исследования басирузтся на пре;:::учэственноы использова-няп »ксперяивнталького подхода совместно с прпблияэнныа решением ансяшк задач эдеотродднакнеи п ранках апсртурного метода и привлечением теорш оптичеекпх систем. При этом создан экспериментальный шгаеншй полигон, резлизуяз^й иэтод замецзния при прозз-донзи исслсдовсгай, что обеспечпло требуема точность измерения характеристик излучения в ¡аллзшетровсм диапазоне радиоволн из только зорказьных антенн, ко и овяучасцих устройств для них.

Научная новизна вшолнонной работы заключается в следуэдем:

1. Про г рдел шкля сгзйет удно-фазового распределения поля в раскрнзе сферического рефаоетора при ососиг^стричкоЯ и вынесенной геометрия последнего в строкой дкапазока углов облучения источником сферической волны.

2. Проведен сравнительная анализ поля излучагая сферического рефлектора, полученного в результате приближенного реяоняя на основе алертурной георин и строгого регзшш задача; показана рамки применимости пркблигенного изтода.

3. Предложен энергетический критерий оптимальности положения облучателя на оси сферического рефлектора, яри котором наблюдается кяншдо! потерь коэффициента усиления.

4. Решена задача синтеза профчгая .танзн, устанавливаемой п раскрыв© облучателя зеркальной антенны, для коррекции сферической аберрации.

5. Исследовано влияние электрически толстого слоя диэлектрика, расположенного вблизи рзскрнза апзртурной антенны, на характер искажений ее структуры излучения.

Обоснованность к достоверность полученных результатов обеспечена тем, что в диссертационной работе применимость приближенных кэтодов расчетов подтверждена дашаая экспериментальных исследований. В своп очередь, достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением тестированных методик измерений, использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. При этом анализ точности проводимых измерений позволяет утверждать, что погрешность измерений во всех случаях значительно ыэньпе измеряемых величин.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в следующем: '

I. Использование предложенного энергетического критерия оптимизации положения облучателя на оси сферического рефлектора позволяет существенно улучшить направленность зеркальных антенн на

его основе.

2. Предложенная методика расчета профиля линзового корректора для устранения влияния сферической аберрации может быть использована при создании компактных широкоугольных сканирующих антенн на основе сферического рефлектора.

3. Результаты исследования особенностей характеристик излучения сферического рефлектора с вынесенным облучением могут служить основой при разработке антенн с несимметричной диаграммой направленности.

4. Проведенные исследования линзового корректора для моноимпульсного облучателя позволяют использовать малоразмерные рас-крывы последнего при улучшенных его частотных свойствах.

0. Результаты исследований согласования раскрыва секториаль-ного рупорного излучателя с помощью тонкого металлического штыря, установленного в его раскрыве, представляют интерес как для разработчиков рупорных антенн, так и облучателей зеркальных антенн.

б. Предложенная схема построения и проведенное исследование малогабаритного механического переключателя волноводных каналов и вращающегося сочленения волноводных каналов поляризационного типа миллиметрового диапазона радиоволн позволяет использовать их при разработке сканирующих зеркальных антенн, в том числе на основе сферического рефлектора,.

Положения, выносимые на защиту;

1. Выбор расположения облучателя на оси сферического рефлектора по максимуму коэффициента усиления антенны позволяет значительно уменьшить влияние сферической аберрации на характеристики излучения рефлектора.

2. Применение корректирующей линзы в раскрыве облучателя позволяет практически полностью компенсировать фазовые искажения в зеркальных антеннах на основе сферического рефлектора.

3. Использование сферического рефлектора в зеркальных антен-,:гх миллиметрового диапазона позволяет создавать антеино-фидер-лке устройства для различных радиотехнических систем с высокими электрическими характеристиками при простой технологии изготовления.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах отделения электроники Института радиофизики и электроники АН Украины, доложены на П Всесоюзной лхоле-симпозиуме по распространению миллиметровых и субмиллимет-

ровых волн в атмосфере (Фрунзе, 1986 г.), Ш Всесоюзной школе по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (Харьков, 1989 г.). на тематическом заседании "Применение миллиметровых и субмиллиметровых волн в медицине, биологии и народном хозяйстве" Научного совета АН УССР по проблеме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых электромагнитных волн"(Харьков, 1990 г.).

Публикации. Но материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения и содержит 116 страниц основного машинописного текста, 77 рисунков на 63 страницах, 2 таблиц на 2 страницах, список йотированной литературы из 105 наименований на II страницах и 3 прикладные программы на 9 страницах. .

СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сделан краткий обзор работ, посвященных исследованиям сферических зеркальны« антенн и возможности компенсации аберрационных искажений, а также рассмотрены трудности создания антенно-фидерных устройств при переходе в ММ и СУБММ диапазоны. Сформулированы цель работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию излучающих свойств зеркальной антенны на основе сферического рефлектора в широком диапазоне углов облучения. Нз основе геометрической оптики рассмотрены особенности фазового распределения в раскрыве полусферы и получены соотношения для фазовой ошибки за счет сферической аберрации. Показано, что характер и величина фазовой ошибки значительным образом зависят от положения фазового центра облучателя на оси зеркала, причем ее абсолютное значение растет с увеличением угловых размеров СР.

В результате исследований распределения энергии в раскрыве полусферы показано, что наблюдается некоторый подъем амплитуды поля вплоть до углов 60...60° и резкий спад при больших углах. Отмечено, что подобное явление должно способствовать увеличению коэффициента использования раскрыв а, в особенности для углов облучения, меньших 80°.

Проведен сопоставительный анализ результатов расчета амплитудного и фазового распределений в раскрыве CP, а также ДН с результатами строгого решения. Показано, что интерференция поля, обусловленная наличием кромки рефлектора, приводит к осцилляциям амплитуды и фазы поля в раскрыве практически вокруг средних значе-

шй, полученных в раихах геометрической оптик:!. При этой варииа Д[1 по половинному уровкэ косности в уровонь порзого бокового ло-пэстка, рассчитанкцэ пркблксзнкш ызтодоц, козначкгольно обличается от результатов строгого рзизняя ( 10®), тогда как и области дальнего бокового кзлучэшя результата расчетов носят нооопость-втзй харситвр. Двлшзтся вшюд, что епертуршг« истод щкшзкзд токео и для расчетов характор:»г?;:к нанучзния кэсккфгзннх расары-еов в&шаи глазного в первого бопового яспестков.

Сясдус^ий раздел диссертационной работы поевкден исслздовенпз Еозиоаностк кошзнсацаи сборрадаоишк нсшшзнзЯ за счзт сищэтя облучателя оссс.х^згркчной ангенны из параксиального фокуса вдоль фо;.1£яьной оси в направлении вергши СР. Прэддоксн энергетический критерий вгйора полоызиия облучателя, которое счкть&гся оеицзшь-нш при условии юнкмуна потерь козффационта усияоиия антенны в направления оси за счэг фазовой ошибки в раокршо СР: Л ю

где Ш- КУ в направяшкя оси

главного лепестка ДЯ СР, £¡¡¿0- КУ еквиваяентного синфазного раскрыта с аналогичный ешхаитудньи распредзленкеи .

Показано, что в большнетве случаев коико подобрать такой ю;д фазового распределения, при которой аборрац>:онкыз искаязшш будут цзнималънции. Предложенный критерий значительно росиирязт воегап-ности СР в части построения внеоконаправленкых антенн !£$ диапазона - рис.1 Л, где приведены максимально допустите размеры СР,прн которых потери КУ нэ превыааг» величины 0,5 дБ, в зависимости от фокусного отношения: при выборе пояоеошш облучателя с покоцью предложенного критерия (кривая I), а таксе на основе литературизданных (кривые 2 и 3).

Другим способом компенсации аберрационных искажений является использование фазового корректора, который, выравнивая фазовый фронт в раскрыве СР* способствует улучшению его шшравленных свойств. В работе рассмотрена предложенная схема фазокошенсиро-ванного облучателя в виде линзового корректора, расположенного вблизи раскрыва облучателя, приведены соотношения и описана ыэто-дика расчета его профиля. Установлено, что в этом случае линза меняет характерный для СР вид амплитудного распределения, приближая его к распределению, свойственно«^ параболическому рефлектору-

Особый интерес представляют возможности СР с вынесенным облучением, поскольку подобная схема построения антенны уменьшает затенение рефлектора и исключает реакцию зеркала на облучатель.

3 результате исследования свойств поля излучения СР с вынесенной геометрией показано,что, как и при осесимметрич-ном облучении, наблюдается частичная компенсация аберрационных искажений за счет выбора положения облучателя, однако возможности последней в этом случае намного ниже, что ограничивает использование зеркал, раскрыв которых превыаает 50^ , для построения остронаправленных антенн.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию зеркальных антенн на основе сферического рефлектора.

Описан разработанный антенный полигон, методика экспериментального исследования электрических характеристик антенн, а также рассмотрен разработанный простой способ изготовления сферических зеркал с точностью выполнения профиля 10...15 мкм, позволяющий обеспечить высокие параметры СР в Ш диапазоне.

Приведены результаты экспериментального исследования возможности компенсации влияния аберрационных искажений .на коэффициент усиления за счет выбора положения облучателя. Показано, что с помощью предложенного ранее энергетического критерия удается значительно улучшить направленность СР, причем наблюдается хорошее совпадение между экспериментальными и расчетными данными. Проведенные измерения ДН подтвердили возможность расчета поля излучения СР с помощью апертурного метода, традиционно применяемого в основном для синфазных раскрывов, в области главного и первого бокового лепестков.

Другим направлением экспериментальных исследований, связанных с компенсацией сферической аберрации, явилась проверка возможности исправления аберрационных искажений СР, облучаемого рупором с линзовым корректором, установленным вблизи его раскрыва.

Рис.1.1

Экспериментальна показано, что использование расчетной модели, описанной в первой главе, позволяет, синтезировать профиль линзы и создавать облучающий узел, применение которого значительно улучшает вид экспериментальных дав обеих плоскостях за счет выравнивания фазового фронта в раскрыве. СР— рис.2.1, на котором приведеНЫ в Е-ПЛОСКОСТИ .

0 ^ '' | ■ '■ хтх _ осесимметричной ан-

■ 2 / тенны на основе СР -

/1 \ \ при £А«60; рЪ. ш

* _ , / /. \\ _ - 0,5; I 0,5/? , .

' • - ■/ I IV; • I возбувдаемой узлом с

линзовым Корректором . (кривая I) и в его . . отсутствие'(кривая 2).

Кроме того, приведены данные исследования ряда макетов, сферических зеркальных антенн. В частности, бьи разработан и исследован макет широкоугольной сканирующей антенны 4-миллиметрового диапазона с механическим перемещением луча в одной из плоскостей. В качестве рефлектора использовалась вырезка из сферы,' а сканирование проводилось за счет вращения описанного выше фазо-компенсированного узла облучения по дуге окружности, радиус которой близок к половине радиуса кривизны СР. Показано, что в этом случае осуществляется сканирование лучом в пределах -20° при практически неизменной да, ширина которой составляла около 0,85° по уровню половинной мощности. Полученные результаты'свидетельствуют о перспективности использования линзового корректора для устранений аберрационных искажений, особенно в части создания широкоугольных сканирующих антенн.

Экспериментально подтверждены выводы первой главы о том, что значительная неоднородность амплитудного и фазового распределения в раскрыве СР в этом случае делает нецелесообразным использование короткофокусных СР с большими электрическими раскрывами для создания остронаправленных зеркальных антенн. В то же время приведенные результаты могут служить основой для разработки антенны с несиммет-

¿9,град.

ричной ДН, причем.для расчета последней может быть, использован апертурный метод,- который, как- и в осёсимметричном.случае, дает хорошее,совпадение с экспериментальными данными вблизи главного лепестка.

Другим важным направлением при формировании ДН специального . вида является создание моноимпульсньк излучателей. В работе отмечены,особенности построения подобных антенн в Ш диапазоне и . предложен.новый подход к формированию разностной ДН» который заключается в отображении разностного распределения поля в раскрыве малоразмерного облучателя на раскрыв сферического . рефлектора с помощью дополнительной лйнзы. На основе предложенной модели разработан и исследован макет "моноимпульсной антенны 5-миллиметрового диапазона с вынесенной геометрией, причем дйя уменьшения . продольных габаритов последней была использована' двухзеркальнёш схема построения. При этом главное зеркало выполнено 6 виде вырезки из сферы, вспомогательное - плоским, а рупорно-линзовый , моноимпульсный облучатель* рассчитанный с помощью приведенных соотношений, располагался ниже уровня края СР, не затеняя его. Измеренные характеристики антенны подтверждают'правомерность предложенной модели построения моноимпульсного облучателя и соответствуют параметрам аналогичных антенн более длинноволнового.диапазона, используемых на практике для пространственной пеленгации объектов. * : ' . . '

Третья глава посвящена исследованию волноведущих и облучающих СЗЧ элементов ММ диапазона, а также описанию результатов прикладных разработок антенно-фидерных устройств на их основе для работы в составе радиотехнических систем в области научного приборостроения и судовой навигации.

Необходимым требованием к облучателям антенн является их согласование с фидерным трактом для обеспечения нормальной работы . приемо-передающих СЗЧ устройств РТС и увеличение КЦД антенной системы; В этой связи предложен и исследован способ согласования пирамидальных и, в частности, Н-секториальных рупоров, имеющих повышенные КСЗ за счет отражений от апертуры, с-помощью металлического штыря, установленного в центре раскрыва параллельно вектору' электрического поля. На основе использования известного строгого решения задачи о. рассеянии плоской электромагнитной волны на проводящем цилиндре построена простая'модель, позволяющая оценить величину отражений от штыря и влияние его на ДН прямоугольного рупора.' Экспериментальная проверка, проведенная на К-

О

0,1 0,2 Рис.3 Л

€

-секториальном рупоре 4-шшжметрового диапазона, показала, ото подобным методом удается значительно снизить отражения от раскры-ва, уменьшив КСВ рупора от значений 1,24...1,45 в отсутствие штыря (£ -М/2 - 0 - рис.ЗЛ) до 1,1...1,25 (приG -0,4) в -ной полосе частот.

Другой важной задачей является создание обтекателей в Ш диапазоне, возникающей в связи с необходимостью использования для этих целей диэлектрических материалов, толщина которых соизмерима с длиной рабочей волны. В диссертационной работе предложен способ построения обтекателя на основе электрически толстого слоя диэлектрика, выбором толщины которого и расстоянием от излу-чакцей апертуры можно также значительно уменьшить отражения от раскрыва. С привлечением теории оптических систем обоснова* подобный способ согласования и определены границ его применимости. Показано, что изменение модуля коэффициентов Френеля для слоя в пределах ширины углового спектра пространственных частот приводит к искажениям Д1, которые в ряде случаев могут достигать значительной величины. В результате проведенного анализа указаны рамки применимости подобного обтекателя, а также требования к его геометрии. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие достоверность предложенной модели, а также результаты разработки и исследования облучателя Н-секториального рупора 4-миллиметрового диапазона, совмещающего в себе две функции: герметизацию фидерного тракта и согласование раскрыва. При этом показано, что наличие обтекателя уменьшает величину КСВ в ICfé-ной полосе частот до значений 1,1..Л,17 (рис.3.2 - кривая I) при 1,24...1,45 в его отсутствие (кривая 2).

Одним из широко применяемых элементов антенно-фидерных трактов РТС ММ диапазона является переключатель волноводных каналов для контроля работоспособности отдельных узлов АФУ при работе РТС на эквивалент антенны, оценки качества сигнала генератора и т.д. В

4 ùf4//o

работе предложен и описан малогабаритный механический переключатель волноводных каналов ММ диапазона на основе 135°-ного уголкового перехода [57. Показано, чао использование подобного перехода, обладающего при определенных геометрических размерах почти полным согласованием во всей полосе рабочих частот волновода, позволило разработать малогабаритный механический переключатель, рабочие характеристики которого практически не влияют на работу СЗЧ тракта (КСВ разработанных устройств 4- и 6-миллиметрового диапазонов не превышает значений 1,14 в полосе рабочих частот используемых волноводов при собственных потерях не более 0,3 дБ).

Другим важным элементом РШ является вращающееся сочленение волноводов, которое, в частности, при сканировании луча позволяет вращать- только антенну с облучателем или только облучающий узел (как в случае широкоугольной сканирующей антенны на основе СР, описанной во второй главе), оставляя неподвижными остальные СВЧ элементы АФУ РТС. 3 работе проведен анализ характеристик вращающегося сочленения волноводов поляризационного типа Ш диапазона на основе 90°- и 180°-ной дифференциальных фазовых секций. Показано, что в отличие от 90°-ной в случае 180°-ной дифференциальной фазовой секции за счет выбора ее длины можно добиться отсутствия отражений от ее концов по обеим ортогональным поляризациям. К тому же подобная секция менее критична н изменению дифференциального фазового сдвига, что обеспечивает более широкую полосу рабочих частот. Представлены результаты разработки и исследования вращающихся сочленений на входных волноводах сечением 5,2 х 2,6 и 3,6 х 1,8 мм (рис.3.3,"а" и "б" соответственно) на основе предложенной схемы построения. Установлено, что в 9^-ной (голосе частот КСВ устройств не превышает значений 1,25 при поте-

-9 -6 -5 0 5 % -д -6 -3 О З Л{40,%

О-} 5)

Рис.з.з

рях коэффициента передачи Т3 ¿1 дБ, причем величина модуляции коэффициента передачи при вращении подвижного волновода относительно неподвижного не превышает 0,2 дБ; сделан вывод, что достижение подобных параметров позволяет успешно использовать описанные вращающиеся сочленения.волноводов при разработке антенно-фидерных устройств ММ диапазона.

В качестве примера использования результатов выполненных в диссертации научных исследований приведено, описание прикладных разработок АФУ на их основе для работы в составе РТС в области научного приборостроения и судовой навигации. В частности, описано Ш когерентной РЛС 4-миллиметрового диапазона для дистанционного зондирования процессов горения, особенностью которого является совместная работа приемо-передатчика на общую антенну и узел ввода излучения в герметичный объем высокого давления. Кроме того, сформулированы требования к формированию излучения, имеющего минимальную расходимость в зоне горения, и на их основе разработан рупорно-линэовый излучатель, состоящий из круглого скалярного рупора, имеющего симметричное амплитудное распределение со спадом поля к краю апертуры -15...-1.8 дБ, и линзы, расположенной'в раскрыве рупора и создающей необходимое фазовое распределение. Подобный подход позволил сформировать требуемые

характеристики гауссова пучка в ближней зоне антенны, что было подтверждено экспериментально. Герметизация объема, в котором ■ происходило горение исследуемого вещества, потребовала использования кварцевого окна, причем его.толщина, составляющая 5,9^ , позволила выдерживать резкий перепад давлений (до 3...10 ат) и свести к минимуму отражения.зондирующего излучения за счет взаимной компенсации отражений от поверхностей раздела сред без заметного влияния окна на геометрию принизывающего его волнового пучка. Для иллюстрации возможностей разработанной PJIC представлены результаты исследования динамики горения одного из образцов твердого топлива. При' этом выделенный доплеровский сигнал записывался магнитографом типа НО-67 и обрабатывался.с-помощью многоканального цифрового спектроанализатора типа СКА-73. Приведена спектрограмма , которая соответствует стационарной стадии процесса горения и характеризует распределение диспергируемых частиц по скоростям. Отмечено, что осуществляя подобный анализ во времени, можно исследовать динамику горения топлива на вех его стадиях.

В качестве другого примера реализации разработки описано АФУ судовой навигационной РЛС 8-миллиметрового диапазона на основе цилиндрической антенны. Приведены особенности построения антенны, представляющей собой в горизонтальной плоскости вырезку из. кругового цилиндра, а в вертикальной - плоскость, что позволяет формировать излучение разной направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в горизонтальной плоскости ширина ДН определяется двухмерным сферическим раскрывом, а в вертикальной - направленностью первичного облучателя, который представляет собой Н--секториальный рупор с согласованным с помощью обтекателя раскрывом. Показано, что в результате выбранной геометрии антенной сис-' темы ее да имеет веерообразную форму, характерную для РЛС подобного назначения. Приведена блок-схема АФУ, содержащего разработанные устройства СЗЧ, описаны результаты измерений их параметров.Отмечено, что высокие эксплуатационные характеристики разработанного АШУ (излучаемая импульсная мощность: 50 кВт на частоте 36,8ГГц;'

затухание в тракте СВЧ на прием-передачу: 6 дБ; развязка _____

приемным и передающим каналами:> 60 дБ; вариация коэффициента стоячей волны по напряжению при вращении антенны на 360°: КСВ

1,1...1,35; ширина да по уровню половинной мощности э горизонтальной и вертикальной плоскостях: 0,5° х 16° соответственно и др.) позволили успешно использовать его в составе макета судовой навигационной РЛС для проведения научных исследований в морских

условиях в составе судов Министерства морского флота СССР.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ

1. Показано, что характер амплитудного и фазового распределений в раскрыве сферического рефлектора по-разному зависит от положения фазового центра облучателя на его фокальной оси. Так,если смещение облучателя из параксиального фокуса к вершине зеркала изменяет вид фазового распределения от монотонного к знакопеременному, то амплитудное распределение при этом меняется мало, причем во всех случаях наблюдается некоторый рост амплитуды поля вдоль раскрыва вплоть до углов облучения 60...80° и резкий спад при больших углах, что существенно отличает сферический рефлектор от традиционно используемого в практике построения остронаправленных антенн параболического рефлектора.

2. Сопоставительный анализ диаграмм направленности сферического рефлектора, рассчитанных приближенным и строгим методами, а

, также сравнение их с экспериментальными данными подтверждают возможность использования апертурной теории для расчетов характеристик излучения антенн со значительными фазовыми ошибками в раскрыве (более ).

3. Предложен энергетический критерий фокусировки сферического рефлектора, основанный на минимизации потерь коэффициента усиления антенны, который позволяет значительно расширить применимости сферических зеркал при создании остронаправленных антенн.

4. Для выравнивания фазового фронта в раскрыве сферического рефлектора и улучшения его характеристик излучения предложено и исследовано использование линзового корректора, расположенного вблизи апертуры облучателя. Решена задача о синтезе профиля подобного линзового корректора, который оказывается несложный в изготовлении. Исследовано влияние корректора на вид амплитудного распределения в раскрызе сферического рефлектора и получены данные по оптимальной геометрии подобной антенны.

5. Разработан и исследован макет широкоугольной сканирующей антенны миллиметрового диапазона с фазокомпенсированным облучателем на основе линзового корректора. Показано, что перемещение подобного облучателя по дуге окружности, радиус которой близок к половине радиуса кривизны сферического рефлектора, позволяет осуществить сканирование луча в секторе углов ¿20 при практически

кеизтнгой »деагрзашэ направленности, ширина которой по уровню половинной шалости составляет около 0,85°.

6. Исследованы характеристики излучения зеркальной антенны со сфарачосагш рефлектором и вшесзнныи облучателем. На основе сопоставительного анализа расчетных и экспериментальных данных показано, что использование адертурной теории для расчета диаграммы напрззлеш-гостя в этом случае такге дает хорошее совпадение с окспарапекталыаси результат ока в области главного лепестка. Ус?акозлсиэ, ч?о возкозиости фокусировки за счет смещения обгуча^-оля при винесекноа облучении намного raise, чем при осе-

что делает подобную гео!:зтр:сз нерациональной для построения остронапраменнкх антека. Показано, что в раскрыве подобней изтизи вод синитудного й фазошго распределений имеет р<нш;чкнЯ zapoxssp в ортогональных плоскостях, в связи с чей предзо.гзно использовать уяазакиуэ особенность для формирования нэсштзгричких дяаграхм направленности.

7. Продяогзн uczvJ. подход к фор!£фован2э шко:ыяульеной диа-rpatcvn кепрмгеикости в зеркальных антеннах на основе сферического рефлектора, закяэчзгзгайея в отобрагещш поля в раскргше катерго-чарного иснсакцуяьсного облучателя на излучающий раскрыв с покоцьэ дополнительной линзы. Разработана методика расчета харакзэрясиш излучения подобной кногококпонентной антенны с использозанлгл теории оптических систем, создана и исследована ко1ИИ!шульсная аитгкка иидлзшетрового диапазона с вынесенной гоо::зтр-.1ей х друааерзальиой схемой построения, в которой главное ззркайо выполнено в виде вырезки из сферы, а вспомогательное - шгоским. йсспзрииентально подтверндена правомерность прэддогенняй иоделя, использование которой позволяет обеспечить пара:;зтры, аналогичные характеристикам моноимпульсных антенн более длинноволнового диапазона.

8. Предложен простой способ согласования раскрыва прямоугольного рупора миллиметрового диапазона с помощью металлического птыря, установленного в центре апертуры параллельно вектору электрического поля, и слоя диэлектрика определенной толщины. Разработана приближенная модель подобных устройств для согласования раскрыва рупорного излучателя и проведены экспериментальные исследования, подтворцдащие правомерность используемых приближений. Показано, что подобное согласование! является наиболее эффективным для Н-секториального рупора, отличающегося повышенными отражениями от раскрыва. При. этом, если использова-

ние тонких металлических штырей практически не оказывает влияния на характеристики излучения рупора!, то электрически толстый слой диэлектрика в случае слабонаправленных облучателей (с шириной да, превышавшей 30...40°) может существенно ухудшить вид диаграммы направленности в силу искажения пространственного спектра угловых частот при прохождении слоя диэлектрика. Полученные результаты могут служить основой для создания механически прочного обтекателя облучателей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн, выполняющих также функцию согласования раскрыва с фидерным трактом.

9. Предложен и разработан механический переключатель полноводных каналов миллиметрового диапазона, использующий в качестве подвижной части 135°-ный уголковый переход, который отличается малыми размерами и высокими электрическими характеристиками в широкой полосе частот (КСВ^ 1,14; развязка между волноводныш каналами 760 дБ, потери по каждому из каналов^ 0,1...0,3 дБ).

10. Исследовано поляризационное вращающееся сочленение волноводов миллиметрового диапазона на основе 180°-ной дкфференциаль-. ной фазовой секции. Показано, что использование подобного принципа построения позволяет создать устройство с мальм коэффициентом отражения (КСВ ^ 1,25), низким уровнем потерь коэффициента передачи С ^ 0,5 дБ) и высоким уровнем пробивной СВЧ мощности

( ^ 10 кВт) в полосе частот -Ш.

11. На основе результатов выполненных исследований СВЧ элементов миллиметрового диапазона разработан макет антенно-фидер-ного устройства когерентной РЛС 4-миллиметрового диапазона для дистанционного зондирования процессов горения в условиях высоких температур и давлений в рабочей камере. Полученные результаты • позволяют развивать новый физический метод исследования кинетики горения и взрыва путем анализа сигналов, отраженных от диспергируемых частиц.

12. Разработан и исследован макет антенно-фидерного устройства судовой навигационной РЛС 8-миллиметрового диапазона на основе цилиндрической антенны. Показано, что характеристики антенно-фидерного устройства (ширина ДО в горизонтальной плоскости^0,5? в вертикальной«'16° при уровне бокового излучения ^ 20 дБ, потери на прием-передачу ^ 6 дБ, развязка между приемным и передающим каналами > 60 дБ) позволили успешно использовать его в со- . ставе судовой РЛС для судовождения в узостях и ледовой проводке на судах Министерства морского флота СССР.

В приложении приведен пакет прикладных программ на языке FORTRAN для расчетов диаграмм направленности антенны на основе GP при осесидаетричном и вынесенном облучениях, а также синтеза профиля корректирующей линзы для фазокомленсированного облучателя.

Публикации, отражающие содержание работы:

1. Костенко A.A., Кузькичев И.К., Мартынюк С.П. и др. Дистанционное зондирование в ортопедия с помощью технологической когерентной РЛС миллиметрового диапазона// Применение радиоволн миллиметровых и субмиллиметровых диапазонов: Сб.научн. тр. - Харьков: ИРЭ АН УССР, 1990. - С.33-39.

2. Мартынюк С.П., Хлопов Г.И. Оптимизация сферической зеркальной антенны// Распространение и дифракция миллиметровых и субмилликетровьос волн: Сб.научн.тр. - Киев: Нвукова думка, 1984. - С.246-255.

3. Виноградов С.С., Мартынюк С.П., Хлопов Г.И. Сравнение точного и приближенного решений задачи об излучении зеркальной антенны на основе сферического рефлектора// Радиофизика и электроника миллиметровых и субмиллиметровых волн: Сб.научн.тр. -

- Харьков: ИРЭ АН УССР, 1991. - С.68-74.

'*4. Горелов В.Н., Мартынюк С.П., Хлопов Г.И. Оптимизация остронаправленных зеркальных антенн со сферическим рефлектором// Радиофизика и электроника миллиметровых и суб»яллиметровых волн: Сб.научн.тр. - Харьков: ИРЭ АН УССР, 1968. - С.122 -

- 129.

. 5. Мартынюк С.П. Синтез профиля корректирующей линзы для сферической зеркальной антенны// Научное приборостроение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах: Сб.научн.тр. - Харьков: ИРЭ АН УССР, 1988. - C.I06-II2. б. Мартынюк С.П. Исследование сферической зеркальной антенны миллиметрового диапазона с вынесенкш облучателем// Радиофизика и электроника миллиметровых и суб ютлля метро в ых волн:Сб. научн.тр. - Харьков: ИРЭ АН УССР, 1991. - С.132-138. • 7. Костен.чо A.A., Мартынюк С.П., Хлопов Г.И. Улучшение согласования секториальных рупоров// Радиотехника и электроника. -1990. - Т.35, И> 8. - C.1747-1749. 8. Костенко A.A., Мартынюк С.П., Хлопов Г.И. Влияние диэлектрического окна на характеристики апертурных антенн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн// Радиотехника и электроника. - 1989. - Т.34, № 7. - C.I365-I370.

9. Герасименко К.Е., Кмекин O.D., Ыартьшш С.П. и др. Приисно-нио дистанционных рздяофизпчаских кзтодоз для изучения про-цзссоа горения// Научное приборостроение в тляиаатровои и субиилликатровом диапазонах: Сб.научи.тр. - Харьков: ИРЭ АН УССР, 1988. - С.113-120.

10. Костенко A.A.., Кузьшчеа И.К., Мартына:; С.П. Актенно-фщер- . hüo тракты когерентных систем ьдшлккатрового диапазона с непрерывный излучением// Ш Всесоюзн.пкола по распространении гзишшэгроаых н субкшшкетровнх волн в атшеферэ: Тез.докл.

- Харьков, 1989. - С.244-245.

11. Кириенко A.A., Цартыгаш С.П., Рудь Л.А. и др. Иалогабаркт-шЛ вирокополосшй цзханический переключатель гошвшэтрово-го диапазона// Известия вузов. Радиоэлектроника. - IS87. -Т.39, ïé 5. - С. 78-79.

12. Костенко A.A., Картютк С.П., Хлопов Г.И. Поляризационные врацаациеся сочленения ишшцетрового диапазона волн// Известия вузов. Радиоэлектроника. - IS9I. - Т.34, Р 3. -

- С.82-84.

Цитированная литература

1. Шастопалов В.П. Физические основы игишшатровой и субтлли-котровой техники. Т.2. Источники. Элементная база. Радиоск-стеш. - Киев: Наукова душеа, 1985, - 256 с.

2. Кен Р. Микроволновые антенны/ Пер. с нем. под ред. И.П.Дрлу-ханова. - Л.: Судостроение, 1967. - 517 с.

3. Бахрах Л. Д., Галимов Г.К. Зеркальные сканируйте антенны. -Ы.: Наука, 1981. - 302 с.

4. Есепкина H.A., Корольков Д.В., Парийский В.А. Радиотелескопы и радиометры. - М.: Наука, 1973. - 283 с.

5. Киряленко A.A., Литвинов В.Р., Рудь Л.А. Усеченный излом прямоугольного волновода в Н-плоскостн// Радиотехника и электроника. - 1979. - Т.24, № 9. - C.I043-I052.