Материал: 3PlBhKjHFv

На правах рукописи

Балландович Святослав Владимирович

Исследование и разработка печатных отражательных антенных решеток с использованием модели на основе конечно-бесконечных структур

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

1

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники СанктПетербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент, Сугак Михаил Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Парнес Михаил Давидович, главный инженер ООО «Резонанс», г. Санкт-Петербург

кандидат технических наук, доцент, Москалев Виктор Михайлович, Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург

Ведущая организация - ОАО «НИИ «Вектор», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 18 марта 2015 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.238.03 в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5., ауд. 2312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) и на сайте www.eltech.ru

Автореферат разослан 16 января 2015 года

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования: Печатные отражательные антенные решетки (ПОАР) начали активно исследоваться с середины 90-х годов. В общем случае, по структуре ПОАР очень близки к зеркальным антеннам (ЗА) и состоят из облучателя и рефлектора, который выполнен по печатной технологии. В отличие от ЗА, формирование диаграммы направленности (ДН) ПОАР происходит за счет подбора размеров печатных элементов (ПЭ), расположенных в раскрыве. Интерес со стороны разработчиков к таким антеннам обусловлен тем, что с одной стороны, благодаря пространственной схеме питания у них практически отсутствуют потери в фидерной системе, с другой стороны, реализуются преимущества печатной технологии. В последнее время выработалось несколько основных направлений развития ПОАР, а именно: остронаправленные антенны для спутниковых и телекоммуникационных систем; антенны с диаграммой направленности специальной формы; антенны, способные работать в нескольких частотных диапазонах, и антенны с управляемой ДН.

Несмотря на огромное количество научных работ, посвященных данной тематике, разработчик может столкнуться с определенными трудностями при разработке ПОАР. В частности, в литературных источниках отсутствуют систематизированные данные, отражающие закономерности поведения характеристик ПОАР от их геометрии. В результате приходится руководствоваться отчасти интуитивными соображениями по выбору основных параметров антенной системы (количество слоев ПЭ, фокусное расстояние, размер раскрыва).

Кроме того, на данный момент фактически существуют всего лишь два метода расчета характеристик ПОАР. Один из них основан на теореме перемножения диаграмм направленности с использованием приближения локальной периодичности (ячейки Флоке), другой представляет собой электродинамический анализ всей структуры. В приближении локальной периодичности каждый элемент помещается в бесконечную планарную периодическую структуру, что оправдано, когда размеры соседних ПЭ не претерпевают резких изменений. Однако, последнее требование не выполняется, если размер раскрыва больше 15λх15λ (λ - центральная частота рабочего диапазона в котором работает антенна) при практических отношениях F/D (фокусное расстояние/ сторона раскрыва). Электродинамический анализ всей структуры целиком, с одной стороны, обладает наивысшей точностью среди методов расчета, с другой стороны, требует значительных вычислительных ресурсов, особенно для антенн с большим раскрывом. В связи с этим, представляется перспективным метод расчета ПОАР на основе модели с использованием конечно-бесконечных структур, которые уже с середины 70-х годов применяются для расчета антенных решеток (АР) с внутренним питанием. Тем не менее, разработанные методы анализа ПОАР с использованием таких моделей не известны.

3

Постоянно растет потребность в ПОАР, способных работать в двух частотных диапазонах. Большинство научных работ по данной тематике содержат описание антенн, предназначенных для работы с конкретным видом поляризации, что сужает область их применения. Методики проектирования универсальных (двухполяризационных) двухчастотных ПОАР, опубликованные в литературных источниках, носят разрозненный характер, что создает очевидные проблемы для разработчиков.

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования методов расчета характеристик ПОАР; необходимостью проведения систематизированных исследований, направленных на выявление закономерностей поведения характеристик ПОАР в зависимости от параметров геометрии. Кроме того, отсутствие методик, позволяющих проектировать двухполяризационные двухчастотные ПОАР с использованием доступных и дешевых материалов, определяет актуальность исследований в данном направлении.

Целью работы является:

-разработка математической модели ПОАР на основе конечно-бесконечных структур;

-исследование закономерностей влияния геометрии ПОАР на полосу рабочих частот и форму диаграммы направленности;

-развитие методов проектирования двухчастотных ПОАР.

Основные задачи диссертации

1.Разработка математической модели ПОАР на основе конечнобесконечных структур. Модель должна позволять рассчитывать ДН структуры, состоящей из однослойных или многослойных ПЭ с различными параметрами диэлектрика.

2.Исследование с помощью полученной модели закономерностей поведения зависимости ширины полосы рабочих частот и формы ДН ПОАР от размера раскрыва, фокусного расстояния и количества слоев в ПЭ.

3.Анализ влияния параметров геометрии ПОАР на ошибки фазового распределения вдоль раскрыва.

4.Совершенствование методики проектирования многочастотных ПОАР.

5.Теоретические и экспериментальные исследования образцов ПОАР.

Методы исследования

При разработке математических моделей применяется метод моментов в спектральной области. Для теоретических исследований, дополнительно к разработанной математической модели, используется метод конечных элементов (FEM). Экспериментальные измерения параметров антенн осуществлялись методом сравнения с эталоном в дальней зоне.

Научная новизна

В процессе проведения исследований получены следующие научные результаты:

4

1.Разработана математическая модель ПОАР, основанная на применении метода моментов в спектральной области с использованием конечнобесконечных структур, позволяющая сократить время расчета по сравнению с полноволновым электродинамическим расчетом.

2.Получены зависимости ширины полосы рабочих частот ПОАР от геометрии. Получены и приведены в виде графиков данные для широкого диапазона изменений параметров, определяющих геометрию антенны, таких как размер раскрыва, количество слоев печатных излучателей и отношение F/D

3.Разработаны новые методики, позволяющие проектировать двухполяризационные двухчастотные ПОАР с использованием доступных и дешевых материалов. Такой результат достигается за счет новых способов учета взаимного влияния ПЭ различных частотных диапазонов в раскрыве антенны.

4.Произведена экспериментальная оценка шумовых характеристик разработанных образцов ПОАР, что позволяет более точно прогнозировать их эффективность в составе радиотехнических систем.

Основные положения, выносимые на защиту

1.Разработанная математическая модель печатных отражательных антенных решеток на основе конечно-бесконечных структур позволяет реализовать достоинства электродинамических методов расчета и методов, основанных на приближении локальной периодичности, что приводит к существенному сокращению времени расчета по сравнению с полноволновым анализом.

2.Предложенные методы учета взаимного влияния элементов в раскрыве позволяют проектировать двухчастотные ПОАР с улучшенными характеристиками направленности и технико-экономическими показателями.

3.Многослойные ПОАР, раскрыв которых занимает площадь первых двух зон Френеля, потенциально обеспечивают двукратное перекрытие частотного диапазона по критерию снижения коэффициента использования поверхности (КИП) на 1 дБ.

4.Многослойные ПОАР с большим раскрывом обладают значительно большей устойчивостью к погрешностям при сборке и разбросу параметров материалов в сравнении с однослойными структурами.

5.При проектировании многослойных ПОАР увеличение числа слоев печатных излучателей свыше двух не приводит к однозначному улучшению характеристик ПОАР. Таким образом, переход на трехслойные структуры и выше не целесообразен без дополнительной оптимизации геометрии, для которой требуются ПЭ с большим числом степеней свободы.

Теоретическая и практическая значимость

1. Предложенная математическая модель ПОАР позволяет прогнозировать характеристики ПОАР. Наибольшей практической ценностью данный метод обладает при расчете антенн с большим раскрывом, поскольку позволяет уменьшить время анализа по сравнению с электродинамическим анализом всей структуры.

5