Развитие спектрального подхода к задачам возбуждения диапазонных излучающих систем широкоугольного сканирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

государственный конитет рф по высшему образованию РГ6 ^'д^ии государственный университет

На правах рукописи

РУДКНКО Владимир Николаевич

развитие спектрального подхода к задачам возбуждения диапазонных излучаотих систен широкоугольного сканирования

специальность - 01.04. оз - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

ТОМСК - 1994

Работа выполнена на кафедре Прикладной и теоретической Физики Новосибирского Государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор Физико - математических наук,

профессор Коняшенко Е. А.

Официальные оппоненты; доктор Физико - математический наук, в. н. с. Гошин Г. г. , сибирскии Физико-технический институт (сфти), г.Томск.

кандидат Физико -математический наук, доцент Беличенко В. П. , Томе кии Государственный Университет, г. Томск

Ведущая организация - уральский Государственный Технический Университет (УГТУ-УПИ), г.Екатеринбург.

•ЛЬ-'-ЫА^-А—Мг. в.

зашита состоится ___199чг. в_ _1_'__час.

на заседании специализированного совета К 063.53.03 при Томском государственном университете по адресу: 634010, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГУ

Автореферат разослан "Л.А-"__

Ученый секретарь специализированного совета К о&з, 53. оз,

к. Ф.-м, н. , доцент ¿¡//¿£¿¿•0 {[¿/ И' Лейкова

- 3 -

общая характеристика работы

актуальность РАБОТЫ Спектральный подход к задачам возбуждения излучающих тел является олнлм из перспективных направления современной радиофизики. Важным достоинством подхода является возможность создания Эффективных методов анализа излучателей и решеток в широком диапазоне частот. Однако прикладные задачи тгебувт исследования новых типов антенн, и теория спектрального подхода нуждается в развитии.

В настоящее время в связи с ростом обьема информационных потоков уровень требовании, предъявляемых к ширине полосы рабочих частот и величине пространственного сектора сканирования современных рлплоэлектроньыя комплексов повышается, и существует необходимость создания ангенных систем, удовлетворяющих обоим этим требованиям. Указанных нелей можно достичь применением антенных решеток (ар), имеющих ненулевую кривизну поверхности излучающей структуры, и неоднородную ориентацию излучающих элементов по отношению к поверхности решетки. Это делает актуальной разработку строгих методов анализа ар некоординаг-ной конфигурации, состоящих из планарных излучателей, ориентированных произвольным образом по отношению друг к другу. В диапазонных антенных системах шчрокоугольного сканирования применяются полосковые излучатели с наклонными и пересекающимися проводниками, в связи с чем актуальной является проблема разработки методов решения задач возбуждения плоских , излучакицих тел кусочно-постоянной ширины с ломаной Формой контур--:. В вибраторных ар весьма существенно влияние токов на линиях питания, возбу.-хдавщих элементы антенных решеток на возникновение эффектов ослепления в режиме сканирования, что приводит к необходимости разработки моделей планарннх вибраторов, учитываг-щих наличие полосковых проводников линий питания антеньых систем.

г^шение указанных выше задач в рамках спектрального подхода де тет возможным численный анализ и оптимальное малинное проектирование диапазонных Фазированных антенных рег.еток (фар) широкоугольного сканирования для связи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы, в том числе изготовляемых по печатной технологии и имеющих хороши'5 массэгабарктныз характеристики.

цель i! задачи исследования, основной целью работы является развитие спектрального подхода применительно к задач-чч возбуждения диапазонных плоских идеально проводящих излучателей с изломами геонеггии контура, фар широкоугольного сканирования. -?л°уеч;ы кс г«|нг-г.ч г нрогзчопы'о задаваемую ори»итг>-

пию. и построение на его основе электродинамических моделей, приводящих к эффективным численным алгоритмам анализа указанных излучасщих структур, в соответствии с выбранной пелыо в работе:

- предложен основанный на спектральном подходе метод решения задачи возбуждения плоского идеально проводящего кусочно-прямоугольного излучателя нерегулярной формы;

- спектральный ьодход развит для анализа задач возбуждения систем плоских излучателей, произвольный образом расположенный и ориентированных в пространстве;

- на основе вышеуказанного подхода разработаны математически'? модели и эффективные численные алгоритмы, реализованные с виде программных модулей и пакетов прикладных программ (ГШП) анализа одиночных диапазонная излучателей с изломами контура и конечных антенных решеток произвольной конфигурации;

- численно произведен параметрический синтез плоских диапазонных излучателей вибраторного типа, необходимых для создания фар. сканирующих в секторе углов не менее 90° в широком диапазоне частот.

В задачу исследования не входили учет наличия диэлектрических подложек излучателей и решеток , а также учет потерь в диэлектрических средах и металлических проводниках.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Основные положения, определяющие научну» новизну работы, можно сформулировать следующим образом.

1. Предложен метод спектральной плотности заряда, позволяющий на основе спектрального подхода решить задачу возбуждения плоских излучателей кусочно-прямоугольной формы. Для удовлетворения условий Иейкснера на смежных границах подобластей, где распределение тока имеет разрывы I рода, наряду со спектральш ми плотностями поверхностных токов вводятся в рассмотрен!!1; спектральные плотности повернностних зарядов на излучателях.

г. Разработаны электродинамические модели плоских вибраторов с нерегулярной Формой контура, применяемых в качестве элементов ФАР. позволявшие учитывать токи на пиита питания, возбуждающих вибраторы в режиме сканирующей ФАР.

3, Предложена и реализована методика решения задачи возбуждения системы плоских излучателей, имеющей произвольную конфигурацию, благодаря которой обобщенные импелансы определяются в виде двукратных интегралов по плоскости волновых векторов (в К-пространстве).

4. Получены численные результаты для моделей применяемых на практике плоских вибраторов, позволяющие определить область

значений их геометрических параметров, в которой эти вибраторы пригодны для использования в диапазонных ФАР широкоугольного сканирование.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Проведенные в работе теоретические исследования завершены созданием математических моделей плоских диапазонных вибраторов с широкими ДН и конечных антенных решеток сложной конфигурации. Модели реализованы в виде программ анализа таких вибраторов и решеток. Алгоритмы и программы отличаются высокой степень» универсальности относительно геометрии анализируемых объектов,

Получены результаты анализа одиночных излучателей ломаной Формы, конечных АР таких излучателей, позволяющие предложить конкретные варианты исполнения АР полосковых вибраторов, обеспечиваюя(их сектор сканирования нр менее 90° в диапазоне частот с перекрытием 1.4. синтезирована геометрия малоэлементной АР с равномерной зависимостью излучения круговой поляризации в передней полусфере и получены характеристики многолучевой антенной системы с пространственным возбуждением (МЛАС ПВ), применяемой в антенной практике. Разработанные программные модули и ШШ могут функционировать как на мощных, так. и на персональных эьн. при этой для расчетов не требуется б^ыпих затрат машинного времени.

ДОСТОВЕРНОСТЬ, полученные в диссертации научные результаты обоснованы теоретическим анализом, численными расчетами, результатами экспериментальных исследований и сравнением с известными результатами других авторов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, основные результаты работа докладывались и обсуждались на:

1. V всесоюзной школе-семинаре по математическому моделированию оис свч и квч диапазонов. г.Тула, октябрь 1990 г.

2. Нежреспубликанскоп научно-технической конференции "ФАР-9г.", г. Казань, июнь 1992 г.

3. X Международной школе-семинаре по дифракции й распространению радиоволн, г. Москва, Февраль 1993 г.

4. XXVIII научной сессии НТО РЭС им. А.С.Попова, посвященной Дню радио, г. Носква, май 1993 г.

5. Российской научно-текзической конференции НТО РЭС, г.Новосибирск, май 1993 г.

6. Российской, научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций", г. Новосибирск, апрель 1994 г.

7. семинарах кафедры Прикладной и теоретической физики. кчФ?дры Антенных систем и НИЛ РТУ Новосибирского государствен

- ь -

ного технического университета.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные материалы диссертации опубликованы б ie-ти печатных работах и 5-ти отчетах по ниг.

структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Полный обьем работы составляет 162 страницы, в тон числе ¡21 страница основного текста, 49 страниц рисунков, 12 страниц приложений, Список литературы включает 97 наименований.

основные положения выноснные iia защиту:

1. кодификация спектрального подхода - метод спектральной плотности заряда, сутью которого является использование в выражениях для обобщенный импедансов плоских кусочно-прямоугольных излучателей нерегулярной Формы наряду со спектральнши плотностями токоп спектральных плотностей зарядов.

г. Развитие спектрального подхода для анализа системы плоских идеально проводящих кусочно-пряноугольных излучателей, произвольным образом расположенный и ориентированных в пространстве. При этом элементы матрицы обобщенных импедансое представляются в виде двойных интегралов по плоскости волновых векторов, благодаря чему данный подход становится базой для построения универсальных и эффективных численных алгоритмов .анализа антенных реветок произвольной конфигурации,

3. натематические модели диапазонных вибраторов с расширенными A4 и линейных решеток таких излучателей, реализованние в виде отлаженных программных модулей, позволяющих производить расчет характеристик элементов с учетом токов на проводниках линий питания, . •

'i. Натематические модели конечных антенных решеток прямоугольных линейных вибраторов, Реализованные в виде программных модулей и пакета прикладных программ анализа многолучевой антенной система с пространственным возбуждением, дакяцне возможность проводить анализ и параметрический синтез решеток с произвольно задаваемыми положением и ориентацией излучателем.

5. Результаты численных и экспериментальных исследований одиночных излучателей и конечных антенный решеток, дающие возможность предложить конкретные варианты исполнения плоских диапазонных излучателей вибраторного типа, необходимых для создания ФАР, сканирующих в секторе углов не менее 90°в диапазоне частот bi/i, а также геометрию малоэленентней АР круговой

поляризации, имеющей диаграмму направленности, близкую к равномерной в передней полусфере.

х^о введении изложены вопросы, рассматриваемые в диссертант. обоснована актуальность, пели и методы исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

К первой главе дан обзор принципов построения, теоретических ограничений и методов исследования иирокополоснмх ФАР.

Па основе анализа путей построения диапазонных АС с амро-' оугольннм сканированием оценены ограничения на геометрические параметры излучателей вибраторного типа и АР таких излучателей, которые учитывались при последующем численном моделировании.

При помощи пакета программ, основанного на материале гла-■•11 2 диссертации проведено исследование линейны;! решеток пла-мрних вибраторов. Показана возможность расширения полосы ра-Зочих частот 1>АР при соу.ранении достигнутого согласования о секторе сканирования путем замены прямоугольник вибраторов яа аолее пшрокополосные вибраторы с прямоугольными наклонными плечами, имеющие на данной частоте такое жо значение входного импеданса о составе ФАР при синфазном возбуждении, Таким об; ззон, применение диапазонных вибраторов с наклстшии плечами позволяет расширить полосу рабочих частот при сохранении пара- . петров сканирования, обеспечиваемы:! ресеткоп прямых вибраторов.

.1ля создания диапазонных АР, способжк сканировать в г.и-гоком секторе пространственных углов иеобход/ио. чтобы применяемые излучатели были широкополосными при малых электрических размерах, слабонаправленннни во всем диапазоне частот, и обладали сноской технологичность» изготовления. По результатам об-пора перечислен ряд основных принципов, которыэ дслжнн учитываться при разработке такик излучателей.

К числу оснсвннх Факторов, влияющих на диапазонные свойства плоских излучателей, относится распределенное по апертуре излучателя возбуждение, Коэффициенты разложения стороннего поля Ет по системе весовых Функций е методе моментов:

г Уме.тгЛ/гО

т =

п-Л/И ' " • И)

где 1- ширина ступеньки возбуждения, ¿-длина излучателя. при больших К быстро убывают с ростом т. Поэтому амплитуды токов в базисе ?т : с

I = т-^-^-г— , < 2) '

где 7 - интегральный йнпедансный оператор,

■также г-истро Убивают с ростом номера моды, и поэтому вклад вне-ш« т»К1-> нх мод в реактивную нмдность уменьшается. Физически это объясняется тем, что кзазнстатпческад емкость возбуждающего зазора уменьшается с ростом его кигинн I. Помимо улучшении согласования птпяжятх изпгчятелеп сни.*з»тсв рарпявчи

- О -

ДН при изменении частоты электромагнитных колебании, благодаря тону, что при таком возбуждении расширяется диапазон частот, в котором основная нода излучения превалирует над высшими.

Далее рассматриваются модели и методы, применяемые при исследовании вибраторов ломансй формы. Обшей основой для построения численных алгоритмов анализа вибраторных антенных систем (АС) является метод интегральных уравнений, позволяющий в строгой постановке решать задачи возбуждения излучающих тел, при котором граничная задача^сводится к виду

} И*) = -е ; . (3)

Большинство моделей используют интегральные уравнения типа Поклингтона и Халлена и основаны на тонкопроволочном приближении, либо на замене плоских проводников эквивалентными цилиндрическими проводниками. В рамках этих моделей практически не развиты эффективные методы анализа характеристик антенн в широком диапазоне частот. Подчеркнута трудность, возникшая при моделировании в Рамках спектрального подхода меандровиго поляризационного Фильтра, связанная со скачкообразным изменением мод Флоке в местах излома полоскового проводника, именно в этой задаче впервые проявилась потребность в разработке метода спектральной плотности заряда. Для анализа АР с неплоской Формой поверхности единственным развитым аналитическим методом является запись Функции Грина в системах координат, соответствующих Форме поверхности решетки. Этот метод применим лишь для АР, имеющих координатную Форму поверхности. Более универсальным здесь является спектральный подход, при котором тензорный оператор Грина представляется в виде разложения по спектру однородных и неоднородных плоских волн, а граничная задача решается численно с использованием метода моментов, однако он до настоящего времени был развит лишь для излучателей, имеющих одинаковую ориентацию по отношению к поверхности АР.

отдельно исследован вопрос о влиянии сложности используемого набора базисных функций на точность Расчета импеденсных характеристик в рамках спектрального подхода. Из сопоставления результатов расчета электрически широкого вибратора при различной сложности модового состава тока следует, что для адекватного представления об импедансных характеристиках в диапазоне длин вибратора 1,=0. 2М.5 достаточно учитывать ток только продольной поляризации и равномерное поперечное распределение тока.

Во второй главе приводятся основные положения спектрального подхода к задачам возбуждения идеально проводящч'. тел, излагается суть метода спектральной плотности заряда и электродинамические модели планаишх штрлорсв нерегулярной Формы.

В основу методов решения задач возбуждения излучателей и АР. вынесенных на защит/, положено спектральное представление электромагнитного поля произвольного плоского распределения токов:

где - спектральные плотности -пектрического и магнитного тока, С использованием данного представления комллексьая мощность, излучаемая токами, энергетические функционалы (обобщенные импедансы в методе моментов) плоских распределения тока определяются в виде двукратных интегралов от гладких Функций по плоскости волновых векторов £ ■ а напряженность поля Е в дальней зоне, определяющая дн, пропорциональна двойному векторному произведению к на спектральную плотность тока к) где конец вектора ¡< лежит на сфере радиуса, (лУ^Гё* , ранее были разработаны эффективные и смысле вычислительна затрат методы анализа и подели широкополосных излучателей, однако рассматривались лишь плоские излучатели, не имеющие изломов контура.

, в случае плоских излучателей с ломаным контуром непосредственное применение спектрального подхода затруднено по следующим причинам. Чтобы гадать полную ортогональную систему. Функций на всем излучателе можно разбить его поверхность на кусочно- прямоугольные подобласти, сшитые вдоль осевой линии, и ввести кусочно-непрерывный базис, элементы которого являются частями непрерывны? базисных Функций для некоторой более протяженной линейной прямоугольной поверхности. Но при этом аналитические выражения для спектральных плотностей таких плоских токов при численном интегрирований по Формуле:

где Ф,(?) - спектральная плотность 1-той базисной Функции тока.

дают расходящиеся результаты. Поскольку энергетические Функционалы не имеют конечного значения, это потно трактовать, как нарушение требования конечности энергии электромагнитного поля, запасаемой вблизи токовчх областей. Показано, что причиной этого является наличие в модели изломов 8-образных всплесков распределения плотности заряда, связанного с плотностью тока уравнением непрерывности; вместе с тем очевидно, что поскольку на реальных излучателях токи остаются непрерывными в местах изломов, то и плотность заряда Физически не имеет 6-всплесков. При анализе выражения (5) оказалось, что его можно преобразо-

иать к еику:

в которой энергетические Фушшионалл включат' в явной виде VI - спектральные плотности базисных Функций заряда (б. Ф. з. ), связанных с б. ф. т. Это и дало возможность предложить метод решения граничной задачи для идеально проводяадок нолосковых проводников с изломами геометрии - метод спектральной плотности Заряда, Суть метода заключается в следующем:

1) Для выбранной системы б. Ф. т. определяется связанная с ней система б. Ф, з,

2) Б местах изломов на границах подобластей из б. Ф. з. исключаются 5-всплески, а остальная, гладкая часть б. Ф. з. остается без изменений.

3) Записываются выражения спектральных плотностей б, Ф, т, и б. Ф, з.

4) С использованием выражения (7) вычисляется матрица обобщенных инпедансов системы и далее по обычным процедурам рассчитывается распределения тока, импеданскые и направленные характеристики.

На основе теории целых Функций исследована связь принадлежности к соответствующим Функциональный пространствам распределений тока, меняющихся скачком И заряда с б-всплескамн, со скорость» Убывания подынтегральных выражении в (5), (7) ¡¡а бесконечности! данная связь подтверждает сходимость энергетических Функционалов при использовании предложенного метода-

Предложены модели плоского вибратора с наклонными плечами (А -ЕНбратора) и вибратора с полосковой линией питания вибратора, рис, 1). основанные на описанном методе. Проведен члелешшл анализ сходимости значений модуля амплитуды распределений тока в зазоре и входного импеданса при увеличении размера области интегрирования на плоскости к и при увеличении числа б. Ф. т. для Д-вибратора. Исследование сходимости и устойчивости метода в задаче возбуждения Л-вибратора дано в Приложении. Из его результатов вытекает, что в использованном базисе ревите имеет ьи" абсолютно сходящегося ряда, устойчив'.., и применения методов регуляризации не требуется. Гибкость геометрии моделей обуславливает возможность их использования гиы анализа широкого класса вибраторов ломаной Формы, излучателей в рассеийателей. В конкретных постановках задач следует использовать системы базисных 4>/лкиий тока и заряда, отличавшиеся типом и количеством б. ф. т. . учетом одной или двух поля-

- It -

гизация тока в пределах одной кусочно-прямоуголькой подобласти. Возможно также построение моделей плоский излучакщнх структур с гладкой криволинейной границей путем замена их совокупностью прямоугольных подобластей.

д третьей главе рассматривается проблема гичисления в спектральном представлении обобщенных . инпедансов и характеристик направленности системы пленарных излучателей прямоугольной и ломаной Формы, произвольней! образок расположенных и -..р'лентированних в пространстве , описывается методика решения граничной задачи для системы таких излучателей и произведен »пэлиэ трех вариантов сферической кольцевой антенной резэтки.

У свободном пространстве рассмотрены дпа плоских излучателя, па которых ^протекают линейные токи с поверхностными плот-»остякя }), п j { . Если связать с камин из токов локальную систему координат (с. к. ), то преобразования координат точки ггаблвдеияя при переходе из локальней с. к. в глобальную определяются матрицами поворота и "{ и векторами сносз начал г .-счета с. к. ^ , Х( . При переходе ю локальной с. к, тока J¿ ,\.с,к. тока jt преобразования координат определяются натрипей поворота К* и векторон взаимного сноса X¿(, Обобщгпяка

:\нпеданс токоз определен, как скалярное произведение на ло->ерхноста с током fu :

-¡№¡0

ix (9)

-спектральное представление электрического поля. :*p?f этом Формально суг,рструег два везможнпх путл игшсленяя£#. '.еРЕМй заключается в том, что ссе необходимее преобразования ..-.оокшпат осуществляются б Х-простракстсе. затем, действуя ¡реойразопаннен Фурье по координатам глобальной с. к. на ток и •оле получаем спектральные плотности Jf, л Е^ , и далее нсконня "илепанс определяется в гиде кптеграла в пространстве золновнs ликторов. Попытка осуществить этот путь призоент к громоздкий :;1Ра>.е«ияи для спектральная представлений тока и поля и, как пяедствп-":, боль-кии затратам машинного гренени па яячлеленпе •:;гтеггзлов обоб1"°ш:ш( пмпедгнеов. особенно этот недостаток -оязлявтея при анализе гногоэлементнкх иэлучзежг-гх систем. ..•ругоз путь эаклачастсп в следующем, ка перрон этапе определч-: тся спектральные представления тока я поля в покалырш с. к. В .iron случае в силу симметрии объектов а непольэова?-- , '?деяе-•'.ия переменных спектральные плотности оказывается к; - :н Функ-

ЫЧ-

(3)

циямн в локальных K-пространствах и имеют простые аналитические Формы записи. Затем преобразованиями поворота и сдвига действуем на компоненты волновых вектсрое и спектральное представление электромагнитного поля Е; . после чего можно записать выражение для 2.у в виде интеграла по поверхности Sj. Этот путь и предлагается для вычисления ,

После ряда преобразований получено следующее выражение для обобщенного импеданса плоских линейных токов jt и ,

ориентированных произвольным образом, в спектральном представлении: <« ^

В случае излучателей ломаной формы (рис.£) для вычисления обобщенных импеданеов предложено использовать спектральные плотности зарядов на излучателях, модифицированные в соответствии с методом спетральной плотности заряда:

На основе полученный выражений (101, (Iii предложена методика решения задач возбуждения систем плоских излучателей со сложной взаимной ориентацией. Если подобные задачи решаются в Х-представлении, то интегральные уравнений, а значит и выражения для обобщенных импедансов. содержат шестикратные интегралы; при использовании же даной методики вычисляются лишь двукратные интегралы от гладких Функций по континууму на плоскости волновых векторов.

Для реализапии методики на практике требуется задать положение вибраторов и вектора их ориентации. При анализе решетки линейных вибраторов, расположенных по кольцам на поверх,-ности сферического сегмента получены указанные геометрические параметры в необходимом виде для 3-х вариантов размещения элементов сферической антенной решетки (САР). В первом варианте плоскости вибраторов касаются поверхности САР и имеют параллельные проекции дипольных моментов на базовую плоскость решетки. Во втором варианте вибраторы лёхат на параллелях (кольцах САР). Данный вариант обладает лучшей поляризационной чистотой в азимутальной плоскости по сравнению с первым. В обоих этих вариантах элементы могут выполняться групповым печатным способом на панелях - частях сферического сегмента. И третьей же варианте плоскости вибраторов нормальны к поверхности САР, что соответствует независимому закреплению печатных элементов.

- 13 -

В четвертой главе приводятся результаты численного моделирования и оптимизаций! экспериментальный, исследований плоских излучателей ломаной Формы. ~ малоэлементной ар круговой поляризации, численных исследований многолучевой антенной системы с пространственным возбуждением (млас ПВ) и линейных решеток А-вибраторов, проведенных при помощи разработанных программных модулей и ППЛ.

сравнение рассчитанных импедансных характеристик Д-вибра-торов различной электрической ширины й с данными из литературы для тонкопрояолочных вибраторов показало, что их различия при 0<0. 05 меньше Ю'Л приводятся зависимости от ширины плеч Б; с увеличением И для вибраторов с.электрической длиной Ь>,о. 5 активная часть ]?вх имеет пологий максимум при Б-о. 05т0. 1. Данный эффект не проявляется на нижних частотах, при Ь^О. 3, поскольку он связан с многомодоаым характером тока на достаточно длинных вибраторах. Проведены экспериментальные исследования частотных характеристик гвх, определены границы геометрических параметров модели для достижения инженерной точности расчетов:

1/2 = 0. 05*0. е I Т= О* :- иго р 1.25:1. (12)

На рис. 3 для примера показаны рассчитанные зависимости 2вх(и. параметром которых является величинатугла наклона плеч Л -вибратора. ДН Л-вибраторов в плоскости Е расширяется с увеличением г при Ь ^ 0. в. На основе расчетных и экспериментальных данных для Л-вибраторов утверждается следующее:

1) Наименьшими изменениями ДН в диапазоне длин вибратора Ь = (0. 2тО. в) облапают вибраторы с углом наклона плеч 40°. При этом ширина ДН вибратора не ненее 90". Таким образом, по характеристикам направленности обеспечивается диапазон частот с 4-х кратным перекрытием.

2) Самый широкий диапазон частот 45* по согласованию с Фидерон с волновым сопротивлением V • 50 011 обеспечивают Л-вибраторы с Ь/В2. 5гЗ и X» 30-60*. (Ксвн < 2). Если допускается использование реактивных элементов и трансформаторов волновых сопротивлений, то при помощи параметрической оптимизации можно найти геометрию А -вибратора, обеспечивающего диапазон частот по согласованию порядка октавы.

При помощи программных модулей, разгаботанных для модели И-вибратора, рассчитаны характеристики ряда кусочно-прямоугольных вибраторов, прямолинейных и с коьтуром ломаной Формы. Для прямых вибраторов характеристики 2вх качественно согласуются с данными из литературы.

Рили рассчитаны характеристики макета излучателя типа

- H -

вибратор с прямоугольными плечами. питаемый от двухпроводной расходящейся полосковой линии. Такие излучатели использовались г НИР при создании 8-элементной линейной ФАР с коэффициентом перекрытия по частоте 1.4 и сектором сканирования 140" при >ровне KCB1U2 для всех элементов. Геометрические параметра излучателя на средней частоте таковы: X =0? L = o. 5. D=o. 1. w=o. 016T. H=1.06, G = 0. 1375. получено, что оптииалышм для достижения наибольшего диапазона частот по согласовали» ксинг является волновое сопротивление £25 Он, прп которой диапазон г.зненения длины вибратора выбирается в пределах: LMO. 6Н0. 96), • что соответствует перекрытию 1. 55. Проведено сопоставление результатов расчета входного коэффициента отражения г модели М-вибратора с результатами расчета Г в квазистатнческой модели плавного перехода, нагруженного на комплексное сопротивление, равное входному импедансу прямолинейной части (т. е. плеч) М-вибратора. Даны ограничения для геометрических параметров перехода, при выполнении которых модель М-вибратсра дает более точпие результата н пепесоаотаэпо ее применение.

с использованием Разработанного ппп arbitb била получена геометрия '1-элементной АР, обеспечивающей почти равномерные зависимости нормированной мсвдости излучения и коэффициента эллиптичности при круговой поляризации в передней полусфере (рис. 4). Такие требования к характеристикам направленности антенной системы предъявляются» в частности, в мобильных термнг налах спутниковой связи.

бш разработан ппп HECLU51. предназначенный для анализа нлас пе. Система состоит из Еозйудителп в виде плоской гексагональной ар (ПГЛР) и сферической кольцевой АР !с1ш>). кгядыя элемент система представляет собой дЬа излучателя ортогональной поллрнзашш с близко разнесении:«! рэзонакает-ш частотами. При расчетах характеристик îî/iac пв при поиоци пакета HSCLUS учитываются все ьидк взаимодействий между излучателями системы различных поляризаций. Были проведены расчета режимов работы системы при возбуждении различных одиночных 'излучателей пгар (по 19 лучей для каждой поляризация). Конеченм результатом расчетов является определение развязок всех излучателей пглр и излучателей кластера СКАР по току относительно тока активного излучателя. Велнчнна развязок рассчитывается по Формуле:

k' ¿O^l-ïjl [ЗБ],

где {¡-комплексная амплитуда тока на t'-том излучателе при возбужденной j-том излучателе;

' ^-комплексная амплитуда тока возбужденного }~го излучателя, из анализа результатов расчета линейны» реаеток Л-вибра-тороз и сопоставления их с линейными решетками прямоугольных вибраторов следует. что такие резеггш, сканиртгие в н-плоскости не имеют сущестзеншх количественны;! и качественных отличий. Интерес представляет решетки, сканирующие в Е-плоскости, о которой Л-вибраторп обладают меньшей направленностью, чем пряные вибраторы. Применение А-вибраторов позволяет: - расширить диапазон частот и углов сканирования линейной ФАР заданной конфигурации,'

-- перейти к построен!!» решетки, ска.чнрутеп в Е-плоскости с шагом меаду элементами, меньший А0/2, что дает возможность расширить сектор сканирования ФА? при отсутствии побочншг дифракционных максимумов и повысить коэффициент использования поверхности ФАР.

В заключении перечислены осношше результата, полученные в диссертационной работе,

3_ приложении обсуждается выбор модели излома прямоугольной области, онениваотся гранит» применимости модели излома н обосновывается полнота и ортогональность системы базисных функций Для А-вибратора. Исследованы сходимость и устойчивость метода спектральной плотности заряда на примере Д-вКбратора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДПССЕРТАНИОННОН РАБОТЫ

В настоящей диссертационной работе па основании проведенного теоретического не следования решгна актуальная научно-техническая задача развития спектрального полгода к задачам возбуждения диалаэоншгз плоския излучателей и фар енРокоуголь-ного сканирования па ш: основа. Построены эффективные алгоритмы численного анализа пркнепгеинк на практике плоски?, диапазонных излучателей и антенных реиетои таких излучателей, сканиругдих в анроком секторе пространства, позволяющие проводить оценку и оптикизаш;» их параметров и характеристик в процессе исследования и разработки. Спектралькич подход при использовании метода, спектральной плотности заряда и методики анализа систем излучателей, произвольно расположению! и ориентированных в пространстве, Позволяет существенно расширить круг задач, эффективно решаемый в строгой постановке. Рассмотрены излучатели, возбуждающие их полоскоЕые линии и антенные решетки полосковт излучателей, Что позволяет говорить о комплексности решения задачи.

В коде работы получены следующие основные результаты:

1. Предложен новый метод решения интегрального уравнения граничной задачи для идеально проводящей плоской области -метод спектральной плотности заряда, сутью которого является использование в выражениях для обобщенных импедансов наряду со спектральными плотностями токов спектральных плотностей зарядов. Метод проработан для решения задач возбуждения плоских излучателей кусочно-постоянной ширины, контуры которых имеют Форму чонаных линий. При этом суцественно расширяется круг прикладных задач, решаемых при помощи спектрального подхода.'

2. На основе метода спектральной плотности заряда предложены новые электродинамические модели излучателей, применяемых в практике создания антенных решеток, удовлетворяющие более строгой постановке задачи. Указанные модели приводят к эффективным численным алгоритмам анализа таких излучателей и антенных решеток на их основе.

3. в ранках спектрального подхода предложена и реализована методика решения задач возбуждения систем Плоских излучателей произвольно ориентированных и расположенных в пространстве. При этом элементы матрицы обобщенных импедансов представляются в виде двойных интегралов по плоскости волновых векторов, благодаря чему данная методика является базой для построения универсальных и эффективных численных алгоритмов анализа антенных решеток произвольной конфигурации.

4. Получены новые численные результаты, относящиеся к характеристикам и параметрам'плоских излучателей, применяемых в диапазонных Фазированных антенных решетках широкоугольного сканирования, и на основе этих.результатов сделаны оценки оптимальных геометрических параметров таких излучателей.

5. Проведен качественный•и численный анализ влияния распределенного возбуждения излучателей на стабильность их характеристик направленности в диапазоне частот. Из анализа следует, что при распределенном возбуждении плоских, излучателей сторонни» полем характеристики направленности более стабильны. Таким образом, распределение возбуждающего пояя на поверхности излучателя является важным Фактором', влияюшил на его диапазонные свойства не только в.смысле согласования с системой питания, но и в смысле постоянства направленных и поляризационных характеристик излучения.

6. синтезирована геометрия системы из 4-;; излучагелеи вибраторного типа с круговой поляризацией излучения и диаграммой направленности, близкой к равномерной в перепней полусфере.

т. Разработан« программные модули и пакеты прикладных про-

грамм для анализа одиночных диапазонных излучателей с изломами контура, линейных ФАР таких излучателей и конечных антенных решеток линейных вибраторов с произвольным расположением и ориентацией элементов, i Пакет прикладных программ, позволяющий производить расчет характеристик многолучевой антенной системы, состоящей из сферической кольцевой антенной решетки и расположенной в ее Фокальной плоскости гексагональной антенной решетки. может функционировать на персональных ЭВН класса IBH РС/АТ-2В6, что свидетельствует о его высокой экономичности в отношении ресурсов машинного времени и памяти.

Основные результаты диссертационной работы были получены автором самостоятельно при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР,

основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Руденко в, Н. Влияние высших токовых мод на эффекты ослепления в ФАР // XXX Новосибирская обл/ науч, -технич. конф. / Тез. докл. -Новосибирск: ГПНТБ СОАН СССР, 1985, -с, а? - гв.

2. Руденко В. Н. Диапазонный излучатель с широкоугольной диаграммой направленности//Проблема экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов /Тез. докл. Всесоюз. студ. науч.-технич. конф. Секция:Повышение эффективности ноеых разработок РЭА. -Новосибирск: ГПНТБ СОАН СССР, 1986, -с. 17 - 18.

3. Коняшенко Е. А, . руденко В, Н. , Соловей А. Е. Плоские диапазонные малогабаритные излучатели для сВЧ-диапазона//Широкопо-лосные устройства СВЧ: Меясвуз. сб. научн. тр-. -Новосибирск: нэти. 1990. -С. 21- 29.

4. Коняшенко Е. А.. лях В. в. . Потехин С. к. . Руденко В. Н. Использование К-пространства для' графического представления информации об электромагнитном поле//математическое моделирование и САПР.радиоэлектронных систем евч на обьемных интегральных схемах (ОйС) /тез, докл. Ill науч.-техн. конФ.-к. : Радио и связь, 1989.-с£02.

5. Коняшенко Е. А, , лях В. в. . Руденко В. н. Использование концепций К-пространства для анализа частотных свойств излучающих структур//Математическое моделирование, САПР и конструк-торско-технологическое проектирование ОИС СВЧ и КВЧ диапазонов/ Тематический курс лекций с приложением тез. докл. и сообщений V Всесоюзн, Вколн-семинара. ч. II.-ТУла, 1990.-с. 56-57.

г>. Коняшенко Е. А. . Одинцов Д. Н. i руденко В. Н., Шмыков В. Н. Анализ плоских структур с применением спектральной плотности

заряд;'// Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация проектирования и измерении/ Тез. докл. Иежресп. науч.-техн. конф. "ФАР-92". -Казань:КАИ, 1992, с. 14.

7. Руденко В. Н. Спектральный анализ плоских Биераторов с изломанной геометрией //Электронная техника. Сэр. 7, Технология, ог, пня производства и оборудование, 1992, вып. 3 (172), с. 52-56.

6. лях В. В. . руденко В. Н. , Соловей А. Е. Плоские диапазонные малогабаритные излучатели для СВЧ-диапазона//Электронная техника. Сер.7. Технология, орг-ция производства и оборудование, 1592, bui1. 3(172), С. 57-60.

9. Руденко E.H.. Лях В. В. диализ плоских вибраторов сложной геометрии с применением спектральной плотности эаряда//Тез. докл. Российской науч. -техн. конФ. , посвященной Дню радио. -Новосибирск: НГТУ, 1993, с. 16,

10. Копяшенко Е. А, , Лях В. В. , Руденко В. Н. Анализ плоских вибраторов сложной геометрии с применением спектральной плотности заряда//СВЧ-электроника/Тез. докл. XLVIII научи, сесии, поев. Дню радио, -и. ■ 1993. -с.'+7.

И.Ким й. Ф. , Руденко В. Н. Энергетические функционалы некомпланарной системы плоских поверхностный токов // Изв. вузов. Физика. - 1994, т. 37. -Но. 4.-С. 122-124.

12. Коняшенко Е. А. , Руденко В. И. , Вилков В. Н. Нетод спектральной плотности заряда в задачах анализа систем плоских иэлу1-чателей// Изв. вузов. Радиофизика. -1994. -т. 37,-Но. 4. -с. 530-538.

13. Руденко E.H., Берестяк A.C. Ноделирование свернутых диапазонных полосковых вибраторов на основе спектральнго подхода //Тез. докл. Российской науч. -техн. конф. "Информатика и проблемы телекоммуникаций",-Новосибирск, 1994, с. 18-19.

14. Ким В. Ф. . Лях В. В. , Гудеико в. П. Пирокополосная налоэле-ментная антенная ресетка с полусферической диаграммой направленности при кругогой поляризации излучаемого пояя//Тез. докл. Российской науч. -техн. конФ. "Информатика и проблемы телекоммуникаций".-Новосибирск. 1994, с. 25.

15. Ким в. ф. , руденко в. Н. вычисление оеобиенных кипедансов произвольно ориентированных плоских токов и К-г.редставлении// Тез. докл. Российской науч. -техн. конф. "Информатика и проблемы телекоммуникаций". -Новосибирск, 1994, с. 26-27.

16. Руденко В.Н. Моделирование диапазонных антенных решеток с ps.csMpeinreti секторон обзора пространства// функциональные модели радиотехнических элементов и устройств / св. науч. тр. -Hom^im, гос. техн. ун-т. -1991Ь -с. 51-62.

-19 -

reOMCTpiw i^vl'M'-M '-'Wn.-YiH.'ije.

MuAeHb HO.JM M-Wlity:fic-M

1'iU. i

Плоские излучатели ломаной формы с произвольной ориентацией

г

Входной импеданс Я-образного вибратора при 0=0.2

1_

20 о -20

I

-40 о -60

Ш -30 8?

X

-100 -120 -140

-С: Ж*

.-■к'''»

.......*..........¥т

0.2 0.0 0.4 0.5 0.6 0,7 0.8 0.Э

- 22 -

ДН 4-элементной АР круговой поляризации 0е

-90*4.

,■•'■' 90«

Г

1

И ___

АР

рас.ч el

X к, зкглещлвнг

Für. 4

/