Излучение диполей, расположенных на поверхности многослойной феррит-диэлектрической структуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

од

ГУСЬКОВ Антон Борисович

о топ "им

УДК 621.372

ИЗЛУЧЕНИЕ ДИПОЛЕЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ МНОГОСЛОЙНОЙ ФЕРРИТ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

Специальность 01.04.03 — радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Санкт-Петербург—2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: профессор Э.Ф. Зайцев

Научный консультант: доцент A.C. Черепанов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Водоватов И.А.,

кандидат технических наук, Федотов А.Н.

Ведущая организация: НИИ «Домен» (г. С.-Петербург)

Зашита состоится 14 июня 2000 г. в Ль часов на заседании диссертационного Совета К 063.38.11 яри Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, С.Петербург, ул. Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан «

мая 2000 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 063.38.11

доктор физ-мат. наук, профессор C.B. Загрядский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время наблюдается большой интерес к проблеме создания простых и дешевых антенных систем с электрическим управлением положением луча. Особенно актуальна эта задача в миллиметровом диапазоне волн. Такие антенны могли бы найти широкое применение в таких областях как транспортные системы управления и контроля (доплеровские сенсоры, автомобильные системы предотвращения столкновений); радиосвязь на миллиметровых волнах (космические коммуникации, радиотелефония с пространственно-временным разделением сигнала и многоканальным доступом, беспроводные локальные компьютерные сети); радиолокаторы (метеорологические радары, автомобильные локаторы, локаторы для малых летательных аппаратов и малых судов, локаторы охранных систем); радионавигационные системы миллиметровых волн (системы посадки, радиовысотомеры).

Обычно для быстрого переключения луча используются фазированные антенные решетки. Эти антенны сложны в управлении и слишком дороги (их стоимость в мире составляет порядка 50-100 долларов на элемент при наличии сотен и тысяч элементов в решетке).

Стру ктуры, исследуемые в диссертационной работе, позволяют создать дешевые и простые в управлении сканирующие антенны практически во всем миллиметровом диапазоне — интегральные фазированные антенные решетки (ИФАР), что и дает возможность сделать заключение об актуальности работы.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических моделей, методов определения ряда важнейших параметров дипольных излучателей, расположенных на поверхности могослойных магниго-гиротропных феррит-диэлектрик-феррит структур (ФДФ-структур) - основе

интегральных антенных решеток - ИФАР, а построение модели ИФАР, позволяющей осуществлять расчет их параметров

К таким параметрам относятся диаграммы направленности (ДН) диполей на структуре, их собственный и взаимные импедансы. Кроме того в работе ставилась задача совмещения результатов моделирования отдельных элементов ИФАР и расчета параметров антенны в целом, а также экспериментального исследования факторов, определяющих реальные характеристики антенн, которые могут не учитываться при их моделировании.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Получение аналитических выражений для определения диаграммы направленности одиночного диполя, расположенного на поверхности многослойной феррит-диэлектрической структуры (здесь применялись обобщенная лемма Лоренца и понятие поверхностного импеданса).

2. Определение собственного импеданса одиночного диполя, расположенного на поверхности феррит-диэлектрической структуры (использован баланс мощности, методы эквивалентных длинных линий и квазистатический подход).

3. Определение взаимного импеданса системы диполей, расположенных на поверхности такой структуры (задачу удалось решить, используя информацию, заключенную в поле дальней зоны).

4. Вывод системы уравнений, описывающих передающий режим ИФАР, с использованием обобщенной теоремы взаимности, баланса мощности и принципа эквивалентности.

5. Определение факторов, влияющих на характеристики экспериментальных образцов ИФАР (использовано моделирование неоднородностей компонентов ИФАР проведены экспериментальные исследования)

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в гей впервые:

1. Решена задача об излучении одиночного диполя, расположенного на говерхности многослойной и многомодовой маптитно-гиротропной структуры. Обнаружен ряд неизвестных ранее явлений: появление асимметрии диаграммы направленности в Н-плоскости при памагничивании ферритовых слоев, появ-1ение кроссполяризационной составляющей поля в Е-плоскости, наличие оп->еделе1шых видов симметрии диаграммы направленности.

2. Предложен новый метод определения взаимного импеданса пары ди-юлей на поверхности структуры, в котором эрмитовая часть взаимного импе-шнса определяется при любом расстоянии между диполями на основе баланса .ющности по полю в дальней зоне, а неэрмнтова часть восстанавливается путем шализа особештостей функциональной зависимости полного взаимного импеданса от расстояния между диполями. Такой подход позволяет учесть взаимодействие диполей за счет ближних полей, зная только поле в зоне излучения.

3. Полученные результаты применены для построения полной теорети-геской модели ИФАР и получили экспериментальное подтверждение.

Основные защищаемые положения

1. Намагничивание ферритовых слоев в направлении параллельном оси диполя, лежащего на ФДФ-структуре, приводит к асимметрии его диаграммы направленности в Н-плоскости и появлению кроссполяризационной составляющей в Е-плоскости. Асимметрия диаграммы вызывает несимметрию матрицы взаимных импедансов диполей, что является одним из проявлений невзаимности системы.

2. В случаях, когда диполь на структуре ориентирован параллельно или перпендикулярно намагничиванию слоев его диаграмма направ-

ленности обладает плоскостью симметрии, которая перпендикулярна направлению намагничивания.

3. Диаграмма направленности диполя в Н-плоскости может приобретать П-образную форму с крутыми склонами вблизи касательных к структуре направлений. Это явление наступает вблизи так называемой «критической» частоты, совпадающей с частотой отсечки поверхностной моды структуры с малым замедлением. При этом реализуется максимальное сопротивление излучения. На частотах, меньших «критической» намагничивание феррита вызывает уменьшение сопротивления излучения, а на частотах, больших «критической» - его увеличение.

4. Распределение тока вдоль диполя в ИФАР очень слабо зависит от размеров диполя и остается близким к резонансному, если длина диполя менее чем в два с половиной раза больше резонансной. Это связано с тем, что диполь возбуждается распределенным вдоль него полем волноводной моды, немного спадающим к его краям.

5. Взаимные импедансы между диполями как при больших, так и при малых расстояниях могут быть найдены через диаграмму направленности одиночного диполя в дальней зоне на основе анализа особенностей функциональной зависимости взаимного импеданса от расстояния между диполями. При этом учитывается, что диполи взаимодействуют за счет ближних полей, так как в направлении друг на друга они не излучают.

6. Примененный метод поэлементного анализа ИФАР обеспечивает строгий учет всех взаимодействующих волновых процессов в антенне, включая невзаимность сред, многомодовый режим в структуре, условия на ее концах и др. Данный метод пригоден и тогда, когда

размеры диполей и расстояния между ними неодинаковы, а также при наличии неоднородностей самой структуры.

Практическая ценность

Полученные результаты позволяют осуществлять расчеты параметров нового класса сканирующих антенн, которые, обладая интегральной конструкцией и чрезвычайно простым электрическим управлением, имеют низкую стоимость при крупносерийном и массовом производстве. Антенны могут найти широкое применение в разных областях, некоторые из них были перечислены выше.

Основные результаты исследования, представленные в диссертации и в публикациях, содержат описание методов электродинамического анализа, окончательные аналитические выражения, описания вычислительных процедур и результаты расчетов.

Проведенный комплекс экспериментальных исследований позволил определить требования, предъявляемые к допускам на составляющие ИФАР феррит-диэлеюсрические компоненты, а также предложить технологические приемы, позволяющие существенно улучшить параметры антенн.

Кроме того разработаны и реализованы действующие макеты антенн.

Данные результаты могут быть использованы при конструировании промышленных образцов предлагаемых антенн. Получены новые теоретических результаты, имеющие также и самостоятельное научное и научно-методическое значение. Б этом — практическая ценность диссертационной работы.

Внедрение результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в СПбГТУ в течение 19882000 гг. Результаты, изложенные в диссертации, использованы при выполнении НИР по договорам №90112, 901301, 901306, 901110, по госбюджетным

НИР, гранту РФФИ № 96-02-! 8792а, также в рамках работ по международным программам CRDF RE1-1S5 и RE1-510.

Апробация работы.

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались: на научно-технических конференции «ФАР и их элементы. Автоматизация проектирования и измерений», ФАР-90, Казань. 1990;

на НТК «ФАР и их элементы. Автоматизация проектирования и измере-ний.ФАР-92». Казань.1992;

на международных симпозиумах и конференциях: IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, 15-18 October 1996, USA, Boston, Massachusetts;

Northrop Grumman Electrodynamics and Application Symposium, Santa Monica, Los Angeles, USA, September 16, 1997;

Eighth Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation, Tucson, Arizona, June 1-3,1998;

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 20 работ.

Объем работы.

Диссертация изложена на 202 страницах »машинописного текста (включая приложения), основной текст содержит 190 страниц, включая 69 рисунков, 4 таблицы. Список литературы на 7 страницах содержит 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные задачи работы, показана ее практическая зна-

чимость, изложено краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

Введение содержит также краткое описание ИФАР. Это разновидность антенн бегущей волны (рис. I).

подложка металлизация

Рис.1

Антенна состоит из волноведущей структуры феррит-диэлектрик-фсррит (ФДФ-волновод), которая образованна двумя ферритовыми пластинами и расположенным между ними диэлектрическим стержнем с высокой диэлектрической проницаемостью, а также решетки диполей, нанесенной на верхнюю поверхность структуры. Ее нижняя поверхность металлизирована. Электромагнитная волна, распространяясь вдоль структуры, возбуждает в диполях токи, которые, в свою очередь, излучают пространственную волну. Фазовый сдвиг между токами в соседних диполях, а значит и направление максимума излучения определяется замедлением волноводной моды, которое зависит от намагниченности ферритовых пластин. Для ее изменения антенна содержит обмотку управления и замыкатели магнитного потока.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ , рассчитывается диаграмма направлен-

ности (ДН) одиночного диполя, лежащего на поверхности ФДФ структуры.

Для этого реальный ФДФ-волновод заменяется бесконечной однородной многослойной моделью, в рамках которой удается строго учесть намагниченность ферритовых слоев. Применение обобщенной леммы Лоренца позволяет свести задачу об излучении диполя, расположенного на поверхности многослойной структуры в задаче о дифракции на структуре плоской волны, падающей под различными углами. Для решения этой задачи используется условие непрерывност и матрицы поверхностного импеданса при переходе от слоя к слою. Ввиду громоздкости аналитических выражений расчеты производятся численно. Предложенная процедура позволяет легко изменять количество слоев и их параметры. В главе подробно проанализировано влияние намагниченности ферритовых слоев на ДН диполя, установлены некоторые свойства симметрии ДН, выявлены эффекты изменения поляризации излучаемого диполем поля при намагничивании феррита в структуре.

В частности установлено, что при намагничивании феррита ДН диполя в Е-плоскости (перпендикулярной оси ФДФ волновода) остается симметричной, но появляется кросспол яризованная составляющая излучения, в Н плоскости поляризация излучения остается линейной, но появляется асимметрия диаграммы.

Выяснено также, что вблизи частоты, названной в работе «критической», на которой в структуре происходит отсечка поверхностной волны с малым замедлением, ДН диполя в Н-плоскости принимает П-образную форму с резкими склонами вблизи касательных к структуре направлений.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена определению собственного импеданса диполя, расположенного на поверхности ФДФ структуры.

Сопротивление излучения диполя определено методом интегрирования ДН. Для определения реактивной составляющей собственного импеданса

проанализировано распределение тока в диполе, возбуждающемся распределенным полем волноводной моды ФДФ-кдпновода и полями соседних диполей. Применяя модель диполя, как отрезка эквивалентной длинной линии, удалось показать, что практически во всем возможном диапазоне изменения размеров диполя форма распределения тока по нему остается постоянной и

может вычисляться по формуле /(с) ~ cos -у, |£| < 1:2, где 1 - длина диполя, а с - координата вдоль него. При этом зависимость реактивного сопротивления от длины диполя определяется выражением А' - ^^ д ~ где W-

волновое сопротивление эквивалентной диполю линии, а А-длина волны в ней. Для определения параметров IV и Л использована квазистатическая модель диполя, расположенного на границе двух изотропных сред с е=1 и

S—S феррита-

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена анализу взаимных импедансов излучателей в ИФАР. Показано, что для ИФАР они могут быть рассчитаны на основании анализа комплексной ДН отдельного излучателя в дальней

зоне. При этом эрмитова часть импеданса R( р) = —* ^-llPi

определяется известным путем при любом расстоянии между ними на основе баланса мощности по полю в дальней зоне. Показано, что при больших расстояниях между диполями их взаимный импеданс может быть найден по простым аналитическим асимптотическим формулам, вид которых определяется поведением ДН диполей в направлении друг на друга.

Для отыскания мнимой части взаимного импеданса на относительно небольших расстояниях между диполями для взаимной структуры (при размагниченном феррите) предложено внести в асимптотические формулы убывающие с расстоянием корректирующие поправки, добиваясь при этом наи-

9

лучшего соответствия между вещественной частью искомого импеданса как функции расстояния и точно известкой функцией /?(р).

Для невзаимной структуры, когда матрица взаимных импедансов становится несимметричной вычисление антаэрмиговой части взаимного импеданса предложено проводить на основе анализа пространственного спектра функции кр!1(р), которая в этом случае не является вещественной. Показано, что часть спектра, соответствующая положительным волновым числам может быть отнесена к 2^р., а соответствующая отрицательным волновым

числам к 2 ^ /2. Проводя обратное преобразование Фурье для каждой части спектра отдельно, мы можем восстановить каждую из функций ¿п(р) и ХгЛр). Проведенное для размагниченной структуры сравнение различных способов вычисления функции взаимного импеданса дало практически совпадающие результаты и подтвердило достоверность избранных методов.

Предложенная методика вычисления взаимного импеданса может быть применена к любым антеннами в случае если потери в окружающей среде малы и, форму распределения тока антеннам можно считать независящей от характера возбуждающих эти антенны полей

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ кратко излагаются основные положения метода поэлементного анализа ИФАР с целью пояснения известных уравнений для расчета токов в антенне. Методом исключения переменных система уравнений, описывающих работу линейной ИФАР, приводится к наиболее компактному виду, пригодному в тоже время для расчета параметров антенн в наиболее общем случае, когда длины диполей и расстояния между ними та разных участках антенны разные. На основе полученных в предыдущих главах данных, а также некоторых результатов решения задачи о распространении волн в ФДФ-волноводе произведен расчет параметров ряда линейных

антенн. Выявлены наиболее важные факторы, влияющие на их характеристики. Приведены многочисленные примеры расчета ДН ИФАР при различных сочетаниях параметров. В частности установлено, что наиболее существенное влияние на форму ДН антенны в целом оказывает взаимодействие диполей с болноводными модами, способными распространяться в ФДФ-волноводе, а также собственная реактивность диполя и его сопротивление излучения. Влияние взаимодействия диполей через окружающее пространство мало и это не предъявляет высоких требований к точности его учета.

ПЯТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена экспериментальному исследованию ИФАР. Экспериментально исследован ряд важных параметров, определяющих реальные характеристики антепп, которые могут не учитываться при их моделировании.

Проведены измерения диэлектрической проницаемости ферритовых и диэлектрических материалов и потерь в них в миллиметровом диапазоне. Для этого предложена методика, основанная на анализе характеристик резонатора в виде участка стандартного волновода, полностью заполненного исследуемым материалом, и позволяющая использовать только стандартное оборудование.

Проведено моделирование влияния неоднородности замедления рабочей моды ФДФ волновода па диаграмму направленности ИФАР. Исследовано влияние неоднородности толщин различных слоев ИФАР, на ее параметры. Произведен расчет влияния на параметры антенны немагнитных зазоров между ферритовыми замыкателями магнитного потока в структуре, выполненными в виде тонких пластин, вставленных между ферритовыми слоями. Получена аналитическая формула дня расчета допуска на равномерность толщины немагнитных зазоров. Выработаны рекомендации по технологии сборки ИФАР.

Описаны также несколько экспериментальных макетов ИФАР 8 и 4 мм диапазона волн. Так ИФАР длиной 100 мм, предназначенная для работы на частоте 76-77 ГГц имела ширину луча в Н-плоскости 2.5°, сектор сканирования в Н-плоскости 14°, ширину луча в Е-плоскости - 80°, коэффициент усиления 17 дБ.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные выводы и результаты работы.

В ПРИЛОЖЕНИИ приводятся некоторые выводы формул, касающиеся различных представлений ДН диполя, и определения параметров эквивалентной диполю длинной линии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЫ.

1. Получено строгое аналитическое решение для диаграммы направленности и сопротивления излучения диполя на феррит-диэлектрической структуре с учетом намагничивания ферриговых слоев. Предложенная вычислительная процедура позволяет проводить расчеты для структур, содержащих произвольное число слоев.

2. Показано, что распределение тока в диполях, возбуждающихся распределенным полем волноводной моды ФДФ-волновода практически во всем возможном диапазоне изменения размеров диполей можно считать не отличающимся от резонансного.

3. Предложена модель для определения собственной реактивности диполя, расположенного на границе двух сред. Показано, что в большинстве случаев вычислять реактивность можно по аналитической формуле, полученной для резонансного распределения тока.

4. Показано, что как при больших, так и при малых расстояниях между диполями взаимные импедансы могут быть найдены через диаграмму на-

равленности одиночного диполя в дальней зоне на основе анализа особен-остей функциональной зависимости взаимного импеданса от расстояния [ежду диполями. Для больших расстояний между диполями для взаимных ¡мпедансов получены простые аналитические формулы. Предложенная ме-одика определения взаимного импеданса является оригинальной и может ¡ыть применена для любых антенн с распределением токов, не зависящим iT условий возбуждения, и расположенных в среде без потерь.

5. Система уравнений для отыскания комплексных амплитуд токов ди-голей в линейной ИФАР, получающаяся при использовании метода поэле-leirraoro анализа, записана в наиболее компактной форме - в виде системы шнейных уравнений, число которых равно количеству диполей в антенне. В :оже время по этим уравнениям можно проводить вычисления в наиболее >бщем случае, когда размеры диполей в антенне и расстояния между ними шодинаковы и параметры ФДФ-волновода меняются по длине.

6. Выявлены важнейшие факторы, влияющие на характеристики гТФАР. К ним относятся количество и параметры волноводных мод, способных распространяться в ФДФ-волноводе, амплитуды их возбуждения писающим ФДФ-волновод переходом, собственная реактивность диполя и его ;опротивление излучения, а также степень однородности входящих в состав ИФАР диэлектрических и ферритовых пластин.

7. Разработана простая методика контроля диэлектрической проницаемости и добротности диэлектрических и ферритовых материалов в миллиметровом диапазоне волн. Проанализировано влияние неизбежной неоднородности диэлектрических и ферритовых деталей и зазоров между ними в реальных ИФАР на характеристики антенн. Сформулированы требования к допускам на эта детали и зазоры, а также даны рекомендации по оптимизации конструкции и технологии сборки ИФАР.

8. Проведены также экспериментальные исследования ряда реальных антенн в 8 и 4 мм диапазонах волн. В целом характеристики ИФАР достаточно хорошо описываются предлагаемыми теоретическими моделями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Zaitsev Е. F., Yavon Y. P., Komarov Y.A., Guskov А. В.. Kanivets A. Yu. MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control.// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol.42, N 3, March, 1994,304 - 310.

2. Зайцев Э.Ф.,Гуськов А.Б., Канивец А.Ю., Комаров Ю.А., Черепанов А.С., Явон Ю.П., Плоские сканирующие антенны бегущей волны миллиметрового диапазона волн на основе управляемых магнитогиротропных структур. //НТК "ФАР и их элементы.Автоматизация проектирования и из-мерений.ФАР-90".Казань. 1990.

3. Зайцев Э.Ф., Гуськов А.Б., Канивец А.Ю., Комаров Ю.А., Милев-ский Н.П., Пузаков А.Н., Черепанов А.С., Явон Ю.П., Интегральные управляемые ФАР милли-метрового диапазона - теоретические, экспериментальные и технологические проблемы. //НТК "ФАР и их элемен-ты.Автоматизация проектирования и измерений.ФАР-92".Казань.1992.

: 4. Kanivets A.Yu., Zaitsev E.F. , Yavon Yu.P., Guskov A.B. Technological Problems of Ferrite Dielectric Integrated Phased Array Fabrication. //3th Mid-European Symposium and Exhibition on Semiconductor Engineering and Technology. SET - 92, October 12 - 14, 1992, Warsaw, Poland, 287 - 288.

5. Зайцев Э.Ф., Гуськов А.Б., Канивец А.Ю., Комаров Ю.А., Явон Ю.П. Антенна с электрическим сканированием. //Патент России N 2000633, 1993.

6. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Komarov Yu.A., Guskov A.B., Kanivets A.Yu.. Millimeter Wave Integrated Phased Arrays with One Current and Two

Current Control. //Proceedings of Microwaves 1994 Conference, October 25 -27, 1994, London, United Kindom.

7. Cherepanov A.S., Guskov A.B., Yavon Y.P., Yufit G.A., Zaizev E.F. Innovative Integrated Ferrite Phased Array Technologies for EHF Radar and Communication Applications. ¡/ШЕЕ International Symposium on Phased Array Systems and Technology,Oct. 1996 Boston, IJS, p 74-77

8. Guskov A.B., Komarov Y.A., Yavon Y.P., Zaitsev E.F.. Electronically scanned FDF antennas for autonomous intelligent cruise control radar application. //26th European Microwave Conference 1996, September 9 -13,1996, Prague, Czech Republic

9. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Yufit G.A., Gouskov A.B., Patch-MMIC-Ferrite Integration in Novel Phased Array Technology. //WRI International Symposium, N.Y., 11-13 September, 1996.

10. Cherepanov A.S., Guskov A.B., Yavon Yu.P., Zaitsev E.F. Active Integrated FDF-Antennas for Mobile and Cellar Communication. Proceedings of 1996 International Symposium on Antennas and Propagation, Tokyo, Japan, Vol. 4, pp. 1209-1212.

11. Zaitsev E.F., Guskov A.B., Cherepanov AS., .Yufit G.A, Beltran M.,Khodorkovsky J.S. Development of microvave and MMW integrated phase arrays with sipmle control. //1997 Antenna Application Smposium, Sept. 17-18, 1997, Illinois, USA

12. Зайцев Э.Ф., Черепанов A.C. ,Гуськов А,Б. Элементарная теория интегральных фазированных антенных решеток. //Санкт-Петербургский государственный технический университет. - СПб., 1999 - Деп. в ВИНИТИ, №3849-В99.

13. Zaitsev Е., Guskov A., Cherepanov A., Yufit G. First Design of Novel MM-wave Patch-Ferrite Phased Array. //Proceedings of AP2000, Davos, Switzerland, April, 2000.

14. Zaitsev E.F., Guskov A.B., Cherepanov A.S., Yufit G.A. Calculation of Mutual Impedance for a Set of Dipole Radiators on the Nonreciprocal Multilayer Structure. //1998 ШЕЕ AP-S International Microwave Symposium (IMS98), Baltimore, June7-12 1998, Baltimore, MD, USA.

15. Zaitsev E.F., Guskov A.B., Cherepanov A.S. Mathematical Model of Ferrite Integrated Phased Array. //Eighth Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation, Tucson, Arizona, June 1-3, 1998.

16. Zaitsev E.F., Gouskov A.B., Cherepanov A.S. Yufit G.A., Beltran M.R., Khodorovsky Y.S. Low Profile, 2D-Scanning MMW Antenna Controlled by Two Currents. //1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II [MWSYM]): 1001-1002.

17. Зайцев Э.Ф., Попов М.Г., Гуськов А.Б., Оперативное определение диэлектрических параметров материалов в диапазоне ММ-волн. //Международная научно-техническая конференция по физике твердых диэлектриков Днэлекгрики-97, 24-27 июня, 1997, С.Петербург, т.2, с.210-213.

18. Guskov А.В., .Yavon Y.P, Zaitsev E.F. Diffraction of electromagnetic waves by electrically controlled FDF-structures. //Trans. Black Sea Region Symposium on Applied Electromagnetism, Athens (Greece), 1996.

19. Zaitsev E.F., Gouskov A.B., Cherepanov A.S. Magnetization Distribution Along Ferrite Layers In The New Type Of Electronically Scanned Antennas. //Eighth Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation, Tucson, Arizona, June 1-3,1998.

20. Гуськов А.Б., Зайцев Э.Ф., Черепанов A.C. Излучение диполя, расположенного на продольно намагниченной феррит-диэлекгрической структуре. //Дсп. в ВИНИТИ, 2000, №349-В00.

Введение

Глава 1. Излучение диполя, лежащего на поверхности ферритдиэлектрической структуры.

1.1. Описание метода.

1.2. Поверхностный импеданс и решение дифракционной задачи.

1.3. Матрица импеданса и поляризация падающей волны.

1.4. Пересчет матрицы импеданса через продольно намагниченный слой феррита.

1.5. Свойства матрицы поверхностного импеданса и симметрия диаграммы направленности диполя.

1.6. Численные результаты.

1.7. Обсуждение границ применимости безграничной модели 39 феррит-диэлектрического волновода.

1.8. Выводы по Главе 1.

Глава 2. Собственные параметры диполя в интегральных антеннах на базе феррит-диэлектрических структур (ИФАР).

2.1. Распределение тока вдоль диполя

2.2. Влияние длины диполя на расчет его диаграммы направленности.

2.3. Реактивная часть собственного импеданса диполя.

2.4. Сопротивление излучения диполя.

2.5. Выводы по Главе 2.

Глава 3. Определение матрицы взаимных импедансов для системы диполей на феррит-диэлектрической структуре.

3.1. Общие положения

3.2. Оценка взаимного импеданса из баланса мощности

3.3. Отыскание мнимой части взаимного импеданса.

3.4. Асимптотические выражения для функции взаимного импеданса

3.4.1. Определение взаимного импеданса по теореме 74 взаимности.

3.4.2. Вывод асимптотических выражений

3.4.3. Поведение взаимного импеданса вблизи «критических» частот.

3.4.4. Прямое вычисление взаимного импеданса по дальнему полю.

3.5. Сопоставление данных энергетического подхода и асимптотических формул.

3.6. Численные результаты. Алгоритм для вычисления взаимного импеданса.

3.6.1. Сопоставление результатов расчета по теореме взаимности и асимптотическим формулам.

3.6.2. Численная процедура коррекции асимптотических формул.

3.6.3. Расчет взаимного импеданса по его эрмитовой части.

3.7. Выводы по Главе 3.

Глава 4. Моделирование характеристик линейной антенны на базе управляемого феррит-диэлектрического волновода.

4.1. Описание модели ИФАР.

4.2. Оптимизация вычислительного алгоритма.

4.3. Численные результаты моделирования ИФАР.

4.4. Выводы по Главе 4.

Глава 5. Экспериментальное исследование антенн на базе управляемых феррит-диэлектрических структур.

5.1. Измерение параметров диэлектрических и ферритовых материалов.

5.2. Влияние неоднородностей ФДФ-волновода на характеристики

ИФАР.

5.2.1. Моделирование влияния неоднородности замедления на диаграмму направленности ИФАР

5.2.2. Влияние неоднородности толщин различных слоев

ИФАР на ее параметры.

5.2.3. Влияние немагнитных зазоров на однородность намагничивания магнитопровода ИФАР

5.3. Экспериментальные исследования действующих образцов

ИФАР.

5.3.1. Линейная ИФАР 4-мм диапазона волн.

5.3.2. Линейная ИФАР диапазона 8 мм.

5.4. Выводы по Главе 5. 185 Заключение. 187 Литература. 191 Приложение. 198 П1. Определение коэффициента эллиптичности и угла поворота плоскости поляризации поля, излученного диполем.

Ш Баланс комплексной мощности в линии передачи 199 ПЗ Формулы для расчета ДН диполя в виде, оптимальном для вычисления взаимного импеданса.

В настоящее время к диапазону миллиметровых волн (или диапазону КВЧ) наблюдается повышенный интерес. Он находится между диапазонами сверхвысоких частот (СВЧ) и световых волн, а поэтому обладает определенными преимуществами и первого и второго. Как и СВЧ, миллиметровые волны имеют окна прозрачности в атмосфере и не рассеиваются в тумане и пыльном воздухе. Как и световые волны, миллиметровые волны обладают большой информационной емкостью и характеризуются малыми поперечными размерами волноведущих структур. Поэтому антенны миллиметровых волн могут получаться достаточно компактными и даже при малых геометрических размерах иметь высокий коэффициент усиления и узкие лучи.

Работа многих радиотехнических систем основана на применении направленных антенн с электрически управляемым положением луча - фазированных антенных решеток (ФАР) [1-4]. Обычные ФАР, выполненные на основе дискретных элементов (излучателей, фазовращателей и т.д.) имеют сложную дорогостоящую конструкцию и управление лучом и поэтому являются неприемлемыми для широкого применения. Указанные проблемы в диапазоне миллиметровых волн существенно возрастают, так как уменьшить поперечные размеры фазовращателей пропорционально длине волны не удается. ФАР в этом диапазоне делают в основном в виде разреженных решеток со сложной схемой управления фазовращателями.

Другим направлением реализации сканирования в этом диапазоне является создание квазиоптических антенн. Основой такой антенны является линза из материала с управляемыми параметрами (обычно -феррита). Главной проблемой в таких устройствах является обеспечение однородности (или необходимого закона изменения) управляемого параметра в объеме линзы, так как ее физический размер должен достигать десятков сантиметров (10-50А.). Невозможность управлять большими линзами приводит к необходимости их секционирования. Очевидно, что сложность антенны при этом сильно возрастает, а параметры ухудшаются. Возбуждение линзовых антенн осуществляется облучателем, расположенным в фокусе линзы. В результате двумерная линзовая антенна не может быть плоской.

Разновидностью антенных решеток являются антенны бегущей волны (АБВ) [5]. В этих антеннах происходит последовательное возбуждение излучателей электромагнитной волной, распространяющейся по регулярному волноводу с элементами связи. Если фазовый сдвиг во всех элементах связи одинаков, то положение главного максимума такой антенне определяется выражением [6] ът& = д + пХ/с1 , (В.1) где д = с/уф- замедление волны, распространяющейся вдоль волновода, « = -1,-2,.- номер излучающейся пространственной гармоники, а? -расстояние между соседними излучателями в решетке. Такие антенны имеют плоскую конструкцию и способны сканировать лучом в одной плоскости в небольшом секторе углов при изменении частоты [3,7-8]. Предпринимаются также попытки создать АБВ с электрическим сканированием за счет управления фазовой скоростью [9-11]. Одним из направлений является использование ферритовых волноводов [12-16].

Известно, что наиболее эффективное управление фазовой скоростью волны осуществляется в волноводах , выполненных в виде продольно намагниченных ферритовых стержней при возбуждении их волной круговой поляризации. В литературе описано довольно много конструкций антенн на основе ферритовых волноводов этого типа. В некоторых конструкциях используются открытые ферритовые стержни 1фуглого сечения [15]. Излучателями являются либо дифракционная решетка, либо решетка диполей, расположенные вблизи поверхности стержня. Основным недостатком таких антенн является сложность магнитной системы, обеспечивающей продольное намагничивание стержня. К тому же изменение фазовой скорости в открытом волноводе сопровождается сильным изменением амплитуды поля в свободном пространстве вблизи стержня. Это приводит к существенному изменению связи излучателей с волноводом при сканировании. В других антеннах используется металлизированный ферритовый стержень с щелевыми излучателями [16]. Изменение связи при намагничивании стержня в такой конструкции меньше, но уменьшается и диапазон изменения фазовой скорости, а также растут потери. Кроме того сплошная металлизация на поверхности стержня образует замкнутый виток, препятствующий перемагничиванию феррита. В результате увеличивается энергия на перемагничивание и снижается быстродействие антенны. Поэтому задача создания ФАР, обладающей простым электрическим управлением лучом и низкой стоимостью, представляется очень актуальной.

Настоящая диссертация посвящена решению комплекса электродинамических задач, возникающих при моделировании нового класса сканирующих антенн - интегральных антенных решеток с ферритовым управлением [3,17-31]. Это направление зародилось и успешно развивается на кафедре радиофизики СПбГТУ в течение 15 лет. Антенны этого типа представляют собой АБВ, выполненные на основе открытых многослойных феррит-диэлектрических волноводов с электрически управляемыми параметрами .

Успешное развитие этого направления связано с тем, что найдена конфигурация волновода, в которой постоянная распространения основной моды под действием тока управления изменяется в широких пределах, в то время как связь с излучателем меняется незначительно. Основу антенны составляет трехслойная феррит-диэлектрическая структура (Рис.1). диполи

Рис.В1.

Она включает в себя два слоя феррита и расположенную между ними тонкую диэлектрическую пластину. Диэлектрическая проницаемость феррита £ф=12-г14. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика выбирается 8д=35-г40. Одна из ферритовых пластин (нижняя) с наружной стороны металлизирована. Ферритовые слои намагничиваются навстречу друг другу в направлении касательном поверхности слоев и перпендикулярном диэлектрической пластине. Для этого между ферритовыми слоями по обе стороны диэлектрической пластины расположены провода , через которые пропускается постоянный ток. В работах [17-18,32-33] показано, что в такой структуре вдоль диэлектрической пластины могут распространяться электромагнитные волны. В дальнейшем будем называть такую структуру ФДФ-волноводом (Феррит-Диэлектрик-Феррит волновод).

На наружной поверхности верхнего ферритового слоя через равные расстояния нанесены узкие полоски металла, ориентированные поперечно оси ФДФ-волновода - диполи (Рис.В2.). Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль ФДФ-волновода взаимодействует с диполями и возбуждает в них электрический ток. Диполь с током, расположенный на поверхности многослойной феррит-диэлектрической структуры, излучает электромагнитные волны в пространство. Решетка таких диполей формирует в пространстве диаграмму направленности (ДН) антенны в целом. В первом приближении фазы токов в диполях определяются фазой возбуждающей их волны ФДФ-волновода (волноводной моды) и положение главного максимума ДН (луча) определяется уравнением (В.1). При изменении намагничивания ферритовых слоев изменяется фазовая скорость волноводной моды и, следовательно, угловое положение луча антенны. В реальной антенне провода намотаны на нижнюю ферритовую пластину в виде одной обмотки. По обе стороны обмотки между ферритовыми пластинами проложены ферритовые же пластинки той же толщины, что и диэлектрический стержень, замыкающие магнитный поток между верхней и нижней пластинами.

В результате для осуществления электрического сканирования лучом достаточно менять лишь один управляющий ток.

Простейшие электродинамические модели и экспериментальные исследования позволили приблизительно определить близкие к оптимальным ферритовые обмотка замыкатели управления

Рис.В2. параметры ФДФ-волновода и излучателей. Так ширина диэлектрической полоски в ФДФ-волноводе составляет 0.3-0.35А, [18]. Длина диполей выбирается близкой к резонансной (

0.2-0.3Я. 1

2-ф эфф где е.эфф = Ф и составляет

Поскольку поле волноводной моды сосредоточено в области, примыкающей к диэлектрическому стержню, общая ширина ФДФ-волновода не превышает А/2 и из них можно составить решетку, формирующую узкую ДН в обеих плоскостях. Конструкция такой антенны показана на рис. 3. диполи поглотитель N диэлектрик феррит прово, замыкатель металлизация основание

Рис. 3.

Антенна состоит из двух ферритовых слоев и ряда параллельных друг другу пластин диэлектрика, зажатых меду ними. Нижняя ферритовая пластина снаружи металлизирована. На поверхность верхней ферритовой пластины точно над осями диэлектрических стержней нанесены диполи. Расстояние между диэлектрическими пластинами одинаково. В промежутках между ними одинаковыми секциями проложены провода обмотки управления, охватывающие нижнюю ферритовую пластину. Магнитный поток между слоями феррита замыкается по краям антенны, где диэлектрические пластины заменены ферритовыми. Такая конструкция обеспечивает почти полную идентичность ФДФ-волноводов, образованных диэлектрическими стержнями и прилегающими к ним областями ферритовых слоев и представляет собой решетку линейных ФАР, синхронно сканирующих при изменении тока в обмотке. Изменяя фазы возбуждения ФДФ-волноводов, можно управлять ДН антенны в плоскости, поперечной их оси. Если для этого использовать отдельные фазовращатели, то общее число сигналов управления для осуществления двумерного сканирования в двух плоскостях составит N+1, где N - число ФДФ-волноводов в решетке. Заметим, что общее число излучателей в решетке равно №М, где М - количество диполей, размещенных вдоль оси каждого ФДФ-волновода.

Таким образом в описанной конструкции интегрально объединены все основные элементы фазированной антенной решетки: устройство распределения мощности, управляемые фазовращатели и излучатели. Поэтому такие антенны получили название интегральных ФАР, ИФАР. Несмотря на простоту конструкции, строгий электродинамический анализ работы такой антенны очень сложен. ФДФ-волновод является многомодовым. Большинство распространяющихся в нем мод эффективно взаимодействуют с диполями на его поверхности. Излучение диполей следует рассчитывать с учетом расположенной вблизи него многослойной феррит-диэлектрической структуры , проводов управления и влияния соседних диполей. Анализ существенно усложняется анизотропными свойствами феррита.

Для решения этой задачи на кафедре радиофизики СПбГТУ был с успехом применен метод поэлементного анализа [6, 17]. В основе этого метода лежит допущение, что распределение тока вдоль диполя в антенне не зависит от наличия соседних диполей. Это дает возможность свести задачу анализа работы антенны к определению ДН одиночного диполя в присутствии феррит-диэлектрической структуры и расчету комплексных амплитуд токов в диполях с учетом их взаимодействия с модами, распространяющимися в ФДФ-волноводе и между собой через окружающее пространство. Основные его положения метода поэлементного анализа будут вкратце изложены в Главе 4. Пока же отметим, только, что он позволяет построить систему линейных уравнении для отыскания токов во всех излучателях антенны. Отыскание коэффициентов этой системы может производиться путем решения ряда независимых модельных задач.

Эти задачи можно разделить на «внешние» и «внутренние».

Так к «внутренней» задаче относится задача о модовом составе ФДФ-волновода и взаимодействии волноводных мод с диполем , расположенным на его поверхности. Результатом ее решения являются постоянные распространения распространяющихся в ФДФ-волноводе волн , их затухание, вызванное потерями в материале, и структура полей в области размещения диполей, позволяющая рассчитать коэффициенты связи тока в диполе с амплитудами волноводных мод. Для решения этой задачи сотрудниками кафедры радиофизики применялись различные модели волно-ведущей ФДФ структуры. Составлены компьютерные программы для численного расчета, проведены экспериментальные исследования. Результаты этой работы опубликованы в ряде статей [ 34-35]. В настоящей диссертации результаты решения «внутренней» задачи будут считаться известными. и будут использованы в Главе 5 для численных расчетов параметров антенн.

Целью настоящей диссертации является решение группы задач, относящихся к «внешней» задаче, т.е. определению ДН одиночного диполя, расположенного на поверхности ФДФ-волновода , его собственного импеданса и взаимному влиянию диполей в антенне, обусловленному их взаимодействием через внешнее пространство, а также объединение результатов решения «внешней» и «внутренней» задач и расчет ДН антенны в целом.

В Главе 1 на основе решения задачи о дифракции плоской волны на безграничной многослойной феррит-диэлектрической структуре рассчитана ДН диполя, лежащего на ее поверхности. Для этого реальный ФДФ-волновод заменяется бесконечной однородной многослойной моделью, в рамках которой удается строго учесть намагниченность ферритовых слоев. Ввиду громоздкости аналитических выражений расчеты производятся численно. Предложенная процедура позволяет легко изменять количество слоев и их параметры. В главе подробно проанализировано влияние намагниченности ферритовых слоев на ДН диполя, установлены некоторые свойства симметрии ДН, выявлены эффекты изменения поляризации излучаемого диполем поля при намагничивании феррита в структуре.

Вторая глава посвящена определению собственного импеданса диполя, расположенного на поверхности ФДС. В частности, изучено влияние длины диполя на распределение тока в нем с учетом распределенного характера возбуждающих диполь полей, а также их неоднородности по длине диполя. Там же оценены такие параметры как сопротивление излучения и реактивная часть собственного импеданса диполя, а также влияние его длины на диаграмму направленности.

Третья глава посвящена анализу взаимных импедансов излучателей в ИФАР. Показано, что для ИФАР они могут быть рассчитаны на основании анализа комплексной ДН отдельного излучателя в дальней зоне. Показано, что характер взаимодействия диполей на больших расстояниях определяется поведением их ДН в области углов, касательных к поверхности структуры.

В Главе 4 кратко излагаются основные положения поэлементного анализа ИФАР с целью пояснения уравнений для расчета токов в антенне, приведенных в [6]. Методом исключения переменных система уравнений, описывающих работу линейной ИФАР, приводится к наиболее компактному виду, пригодному в тоже время для расчета параметров антенн в наиболее общем случае, когда длины диполей и расстояния между ними на разных участках антенны разные. На основе полученных в предыдущих главах данных, а также некоторых результатов решения «внутренней» задачи произведен расчет параметров ряда линейных антенн. Выявлены наиболее важные факторы, влияющие на их характеристики.

Пятая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию ИФАР. Экспериментально исследованы важнейшие характеристики компонентов ИФАР - потери в ферритовых и диэлектрических материалах, степень однородности толщины составляющих ИФАР пластин и зазоров между ними и ее влияние на характеристики антенн. Описаны также несколько экспериментальных макетов ИФАР 8 и 4 мм диапазона волн.

Ниже приводятся положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Намагничивание ферритовых слоев в направлении параллельном оси диполя, лежащего на ФДФ-структуре, приводит к асимметрии его диаграммы направленности в Н-плоскости и появлению кросс-поляризационной составляющей в Е-плоскости. Асимметрия диаграммы вызывает несимметрию матрицы взаимных импедансов диполей, что является одним из проявлений невзаимности системы.

2. В случаях, когда диполь на структуре ориентирован параллельно или перпендикулярно намагничиванию слоев его диаграмма направленности обладает плоскостью симметрии, которая перпендикулярна направлению намагничивания.

3. Диаграмма направленности диполя в Н-плоскости может приобретать П-образную форму с крутыми склонами вблизи касательных к структуре направлений. Это явление наступает вблизи так называемой «критической» частоты, совпадающей с частотой отсечки поверхностной моды структуры с малым замедлением. При этом реализуется максимальное сопротивление излучения. На частотах, меньших «критической» намагничивание феррита вызывает уменьшение сопротивления излучения, а на частотах, больших «критической» -его увеличение.

4. Распределение тока вдоль диполя в ИФАР очень слабо зависит от размеров диполя и остается близким к резонансному, если длина диполя менее чем в два с половиной раза больше резонансной. Это связано с тем, что диполь возбуждается распределенным вдоль него полем, немного спадающим к его краям .

5. Взаимные импедансы между диполями как при больших, так и при малых расстояниях могут быть найдены через диаграмму направленности одиночного диполя в дальней зоне на основе анализа особенностей функциональной зависимости взаимного импеданса от расстояния между диполями. При этом учитывается, что диполи взаимодействуют за счет ближних полей, так как в направлении друг на друга они не излучают.

6. Примененный метод поэлементного анализа ИФАР обеспечивает строгий учет всех взаимодействующих волновых процессов в антенне, включая невзаимность сред, многомодовый режим в структуре, условия на ее концах и др. Данный метод пригоден и тогда, когда размеры диполей и расстояния между ними неодинаковы, а также при наличии неоднородностей самой структуры.

5.4. Выводы по главе 5.

Из анализа представленных результатов исследования характеристик ИФАР можно сделать следующие выводы.

1. В целом характеристики ИФАР достаточно хорошо описываются предлагаемыми теоретическими моделями. Теория позволяет довольно верно оценить усиление антенны, ширину и положение сектора сканирования. Экспериментально наблюдаются эффекты, связанные с возбуждением на входе антенны высших типов волн. В то же время связь диполей с волноводными модами вычисляется недостаточно верно. Это может быть связано с большой погрешностью определения собственного импеданса диполя. В частности наличие рупора может существенно на него повлиять.

2. Главными факторами, определяющим форму ДН вне главного максимума являются возбуждение на входе антенны высших типов волн и фазовые ошибки, связанные с несовершенством технологии изготовления деталей ИФАР и их сборки. Следует уделить особое внимание контролю параметров материалов в том числе однородности их диэлектрической, а у ферритов и магнитной, проницаемости. Следует также разрабатывать методы контроля качества сборки ИФАР на всех стадиях.

3. Крайне актуальным для конструирования ИФАР и оптимизации их параметров является решение задачи о возбуждении ФДФ волновода согласующим переходом.

Заключение.

В диссертационной работе исследованы процессы, связанные с излучением электромагнитных волн электрическими диполями, расположенными на поверхности многослойных управляемых феррит-диэлектрических структур - основе интегральных антенных решеток -ИФАР.

Основной целью работы была разработка теоретических моделей, методов определения ряда важнейших параметров диполей, позволяющих на основе метода поэлементного анализа исследовать свойства такого сложного электродинамического объекта, как интегральная антенная решета (ИФАР). К таким параметрам относятся диаграммы направленности диполей на структуре, их собственный и взаимные импедансы. Кроме того в работе ставилась задача объединения результатов моделирования отдельных элементов ИФАР и расчета параметров антенны в целом, а также экспериментального исследования факторов, определяющих реальные характеристики антенн, которые могут не учитываться при их моделировании.

При исследовании характеристик излучения диполей была применена безграничная многослойная модель структуры. Это позволило получить строгое аналитическое решение для диаграммы направленности и сопротивления излучения диполя на структуре с учетом намагничивания ферри-товых слоев. Предложенная вычислительная процедура позволяет проводить расчеты для структур, содержащих произвольное число слоев.

Подробно проанализировано распределение тока в диполях, возбуждающихся распределенным полем волноводной моды ФДФ-волновода и полей соседних диполей. Показано, что практически во всем возможном диапазоне изменения размеров диполя форма распределения тока по нему остается постоянной. Это подтверждает правомерность применения метода поэлементного анализа, в котором распределение тока по диполю предполагается независящим от наличия соседних диполей и амплитуд и конфигурации волноводных мод.

Предложена модель для определения собственной реактивности диполя, расположенного на границе двух сред. Показано, что в большинстве случаев вычислять реактивность можно по аналитической формуле, полученной для резонансного распределения тока.

Большое внимание в работе было уделено определению элементов матрицы взаимных импедансов диполей . Показано, что как при больших, так и при малых расстояниях они могут быть найдены через диаграмму направленности одиночного диполя в дальней зоне на основе анализа функциональной зависимости взаимного импеданса от расстояния между диполями. Для больших расстояний между диполями для взаимных импедансов получены простые аналитические формулы. Для небольших расстояний между диполями эрмитова часть матрицы взаимных импедансов вычисляется строго из энергетических соотношений. Для отыскания ее антиэрмитовой части при размагниченном феррите (для взаимной структуры) предложен метод коррекции асимптотических формул. При намагничивании феррита в ИФАР происходит перекос диаграмм направленности диполей в Н-плоскости и матрица взаимных импедансов становится несимметричной. В этом случае для вычисления ее антиэрмитовой части предложено анализировать пространственный спектр эрмитовой части матрицы как функции расстояния между диполями.

Предложенная методика определения взаимного импеданса является оригинальной и может быть применена для любых антенн с распределением токов, не зависящим от условий возбуждения, и расположенных в среде без потерь.

Система уравнений для отыскания комплексных амплитуд токов диполей в линейной ИФАР, получающаяся при использовании метода поэлементного анализа, записана в наиболее компактной форме - в виде системы линейных уравнений, число которых равно количеству диполей в антенне. В тоже время по этим уравнениям можно проводить вычисления в наиболее общем случае, когда размеры диполей в антенне и расстояния между ними неодинаковы и параметры ФДФ-волновода меняются по длине.

В ходе численного моделирования ИФАР установлено, что наиболее существенное влияние на форму диаграммы направленности антенны в целом оказывает взаимодействие диполей с волноводными модами, способными распространяться в ФДФ-волноводе, а также собственная реактивность диполя и его сопротивление излучения. Влияние взаимодействия диполей через окружающее пространство мало и в первом приближении может совсем не учитываться.

В результате проделанных экспериментальных исследований разработана методика контроля диэлектрической проницаемости и добротности диэлектрических и ферритовых материалов в миллиметровом диапазоне волн, ориентированная на применение стандартного оборудования. Проанализировано влияние неизбежной неоднородности диэлектрических и ферритовых деталей и зазоров между ними в реальных ИФАР на характеристики антенн. На базе этих данных сформулированы требования к величине допусков на эти детали и зазоры, а также даны рекомендации по оптимизации конструкции и технологии сборки ИФАР.

Проведены также экспериментальные исследования ряда реальных антенн в 8 и 4 мм диапазонах волн. В целом характеристики ИФАР достаточно хорошо описываются предлагаемыми теоретическими моделями. Теория позволяет довольно верно оценить усиление антенны, ширину и положение сектора сканирования. Как и предсказано теорией, наиболее существенными оказываются эффекты, связанные с возбуждением на входе антенны высших типов волн. Поэтому крайне актуальным для конструирования ИФАР и оптимизации их параметров является решение задачи о возбуждении ФДФ волновода согласующим переходом.

В результате можно утверждать, что разработанные модели позволяют достаточно правильно рассчитывать характеристики нового класса сканирующих антенн - ИФАР. Антенны этого типа могут быть реализованы в диапазоне частот от 20 до 90 ГТц. Они имеют планарную интегральную конструкцию, простое управление лучом и в настоящее время являются самыми дешевыми среди известных сканирующих антенн.

Эти антенны могут найти свою область применения в недорогих локационных и связных системах, таких, как малогабаритные радары различного назначения, системы мобильной связи, высотомеры и системы посадки малой авиации, системы управления движением транспорта, системы спутниковой связи.

1.Вендик ОТ. Антенны с немеханическим движением луча. -М.: Сов. радио, 1965.

2. Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: Мир, 1974.

3. Brookner Е. Practical Phased-Array Antenna Systems /Lex Book, Lexington, MA, 1991.

4. Brookner E. Major Advances in Phased Arrays: Part I. //Microwave Journal, May, 1997, №5, p.288.

5. Уолкер К. Антенны бегущей волны. М.: Энергия, 1970.

6. Zaitsev Е. F., Yavon Y. P., Komarov Y.A., Guskov А. В., Kanivets A. Yu. MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control.// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol.42, N 3, March, 1994, 304 -310.

7. Oliner A.A. New leaky wave antennas for millimeter waves. // Pros. 1985 Int. Symp. Antennas and Propag., Kyoto, Aug. 20-22, 1985. Vol. 1, Tokyo, 1985, 89-92.\

8. Li M., Chang K. Novel Beam-Control Technique Using Dielectric-Image-Line-Fed Microstrip Patch-Array for Millimeter-Wave Applications //IEEE Trans, on MTT, No 11, Nov. 1998.

9. Li M., Chang K. Novel Low-Cost Beem Steering Techniques Using Microstrip Patch Antenna Arrays Fed by Dielectric Image Lines. //IEEE Trans, on AP, 1999, №1, p.9

10. Wang J.H., Tripp V.K. Compact Microstrip Antenna With Magnetic Substrate. //US Patent №5589842, Dec. 31,1996.

11. Pozar D.M. Magnetic Timing of Microstrip Antenna on a Ferrite Substrate. //Electron Letters, vol.22, Jun.9,1998, p.729

12. Holt on How, Carmine Vittoria. Ferrite Microstrip Antenna. //US Patent №5327148, Jul. 5,1994

13. З.Зайцев Э.Ф., Федотов A.H. Сканирующая антенна с ферритовым управлением. //Радиотехника и электроника т.ЗЗ, №3, 1988, С.661.

14. Stern R.A., Babbit R.W., Mikuski G.F. Scanning Phased Array. //US Patent, №4785304, Nov 20,1986.

15. Зайцев Э.Ф., Федотов A.H., Явон Ю.П. Анализ антенн с последовательным возбуждением раскрыва и электрическим сканированием на основе управляемых магнитогиротропных структур. // Деп.в ВИНИТИ N1120, 1988.

16. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Komarov Yu.A., Guskov A.B., Kanivets A.Yu. Millimeter Wave Integrated Phased Arrays with One Current and Two Current Control. //Proceedings of Microwaves 1994 Conference, October 25 -27,1994, London, United Kindom.

17. Guskov A.B., Komarov Y.A., Yavon Y.P., Zaitsev E.F. Electronically scanned FDF antennas for autonomous intelligent cruise control radar application. //26th European Microwave Conference 1996, September 9 -13,1996, Prague, Czech Republic

18. Zaitsev E.F., Yavon Yu.P., Yufit G.A., Gouskov A.B., Patch-MMIC-Ferrite Integration in Novel Phased Array Technology. //WRI International Symposium, N.Y., 11-13 September, 1996.

19. Cherepanov A.S., Guskov A.B., Yavon Yu.P., Zaitsev E.F. Active Integrated FDF-Antennas for Mobile and Cellar Communication. Proceedings of 1996 International Symposium on Antennas and Propagation, Tokyo, Japan, Vol. 4, pp. 1209-1212.

20. Zaitsev E.F., Guskov A.B., Cherepanov A.S., .Yufit G.A, Beltran M.,Khodorkovsky J.S. Development of microvave and MMW integratedphase arrays with sipmle control. //1997 Antenna Application Smposium, Sept. 17-18, 1997, Illinois, USA

21. Зайцев Э.Ф., Канивец А.Ю., Комаров Ю.А., Явон Ю.П. Линейные сканирующие антенны бегущей волны на основе тороидальных ферритовых структур 8-мм, 5-мм диапазонов длин волн./ХУВНТК по СВЧ ферритовой технике.Ленинград.1990.

22. ЗЗ.Комаров Ю.А. Диссертационная работа //СПб.: СП6ГТУД993.34.3айцев Э.Ф., Комаров Ю.А., Явон Ю.П. Исследование волноводно-ферритовых структур с управляемым замедлением. //Деп. в ВИНИТИ N.3200-84

23. Zaitsev E.F., Yavon Y.P., Yufit G.A., Beltran M.R., Khodorkovsky J.S. Low-Cost Microvave and MM-wave Iintegrated Phase Arrays with Ferrite Control. //1996 Antenna Application Smposium, Sept. 18-20, 1996, Monticello, Illinois, USA

24. Зайцев Э.Ф., Дикий B.H., Бабенко А.И. О расчете характеристик невзаимных приемных антенн. //РЭ. 1980. Т. 25. N З.С. 639

25. Курушин Е.П., Нефедов У.И., Фиалковский А.Т., Дифракция электромагнитных волн на анизотропных структурах.- М.: Наука, 1975.

26. Гуревич AT. Ферриты на сверхвысоких частотах. -М.: Госфизматиздат, 1960.

27. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974.

28. Green Jerome I., Sandy Frank . Microwave Characterization of Partially Magnetized Ferrites. //IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique.- 1974., К 4., C.321-328.

29. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны: теория и практика М.: Связиздат, 1955.

30. Howe C.W. On the Capacity of Radio-Telegraphic Antennas. //Electrician, v.73, August, 1914.

31. Гавеля Н.П., Истрашкин А.Д., Муравьев Ю.К., Серков В.П. Антенны. 4.1/Изд. ВКАС, 1963.

32. Пистолькорс А.А. Антенны. М.: Связиздат, 1944.45 .Carter P.S. Circuit Relations In Radiating Systems And Applications To Antenna Problems. //Proc. IRE, 1932, Vol.20, P. 1004.

33. Whieeler H.A. The Radiation Resistance Of An Antenna In An Infinite Array Or Waveguide. //Proc. IRE, 1948, Vol.36, P.478.

34. Krans J.D. Antennas. Mcgraw-Hill, N.Y. 1950.

35. King R.W.P. Theory Of Linear Antennas. -Harward Univ. Press, Cambridge, Mass., 1956.

36. Bolinder E.F. The Relationship Of Phisical Applications Of Fourier Transforms In Various Fields Of Wave Theory And Circuitry. //IRE Trans, 1957, MTT-5, N.2, P.153.

37. Thodes D.R. On A Fundamental Principle In The Theory Of Planar Antennas. //Proc. IEEE, 1964, Vol.52, N.9, P.1085.

38. Вендик О.Г. Определение взаимного импеданса между антеннами через диаграмму направленности в дальней зоне. //Радиотехника,1962, N.10.

39. Сканирующие антенные системы СВЧ. т. П, /Под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина. М.: Сов.Радио, 1969.

40. Zaitsev E.F., Guskov А.В., Cherepanov A.S., Yufit G.A. Calculation of Mutual Impedance for a Set of Dipole Radiators on the Nonreciprocal

41. Multilayer Structure. //1998 IEEE AP-S International Microwave Symposium (IMS98), Baltimore, June7-12 1998, Baltimore, MD, USA.

42. Zaitsev E.F., Guskov A.B., Cherepanov A.S. Mathematical Model of Ferrite Integrated Phased Array. //Eighth Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation, Tucson, Arizona, June 1-3,1998.

43. Zaitsev E.F., Gouskov A.B., Cherepanov A.S. Yufit G.A., Beltran M.R., Khodorovsky Y.S. Low Profile, 2D-Scaiming MMW Antenna Controlled by Two Currents. //1998 MTT-S International Microwave Symposium Digest 98.2 (1998 Vol. II MWSYM.): 1001-1002.

44. Courtney С. C. Time-Domain Measurement of the Electromagnetic Properties of Materials //IEEE Trans, on MTT, V. 46, № 5, May, 1998 p.517.

45. Никольский B.B. Измерение параметров ферритов на СВЧ. Часть I //Радиотехника и электроника. 1956, Т.1, .№ 4., С.447-468.

46. Никольский В.В. Измерение параметров ферритов на СВЧ. Часть 2 //Радиотехника и электроника, 1956., Т.1, № 5., С.638-646.

47. Guskov А.В., . Yavon Y.P, Zaitsev E.F. Diffraction of electromagnetic waves by electrically controlled FDF-structures. //Trans. Black Sea Region Symposium on Applied Electromagnetism, Athens (Greece),1996.

48. Егоров Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы- М.: Наука, 1967.

49. Zaitsev E.F., Gouskov A.B., Cherepanov A.S. Magnetization Distribution Along Ferrite Layers In The New Type Of Electronically Scanned Antennas. //Eighth Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation, Tucson, Arizona, June 1-3, 1998.

50. Буль. Основы теории и расчета магнитных цепей. M.-JL: Энергия, 1964

51. Гуськов А.Б., Зайцев Э.Ф., Черепанов А.С. Излучение диполя, расположенного на продольно намагниченной феррит-диэлектрической структуре. //Дел. в ВИНИТИ, 2000, №349-В00.