Материал: 3PlBhKjHFv

2.Представленные данные относительно характеристик ПОАР позволяют на этапе проектирования определить основные параметры антенны, такие как количество слоев, фокусное расстояние и размер раскрыва.

3.Предложенные методики позволяют проектировать многочастотные

Реализация и внедрение результатов

Получен акт о внедрении от ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс».

Теоретические положения данной работы, методы расчета и экспериментальных исследований использовались в следующих работах: НИР по теме 6672/ТОР-174 от 15.02.07, 2007 г.; НИР по теме ЕНН-041-08/6739/РОС- 38 от 29.01.08; ОКР по теме ЕНО-001-09/6834/ТОР-184 от 04.03.09, 2009-2010

гг.; СЧ ОКР «Ядро-1-Р-ГЭТУ» (2010), НИОКР по программе «Умник» (20132015).

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на:

-18-й международной крымской конференции «СВЧ Техника и телекоммуникационные технологии», 2008 г., Севастополь;

-всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2008-2009 гг;

-8-м международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, СПб, 2009;

-63, 64, 65, 66 научно-технических конференциях НТОРЭС им. А.С. Попова, СПб, 2008 - 2011 гг;

-первой всероссийской конференции молодых ученых «Новые материалы и нанотехнологии в СВЧ электронике», Санкт-Петербург, 2010 г;

-на всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, 2012г;

-на конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ

(«ЛЭТИ») в 2008-2014 гг.

Публикации

Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 22 статьях и материалах конференций, из которых 6 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 15 международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 177 страниц основного текста, 145 рисунков, 1 таблицу. Список литературы состоит из 111 позиций.

6

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Впервой главе дан обзор исследований, посвященных тематике работы.

Впервой части содержатся общие сведения относительно ПОАР, поясняющие принцип их работы. В состав типичной ПОАР входит рефлектор, состоящих из ПЭ, и облучатель (чаще всего рупорная антенна). Требуемое фазовое распределение вдоль раскрыва антенны реализуется путем подбора размеров каждого ПЭ. В процессе проектирования реальный облучатель обычно представляется в виде источника сферической волны. Таким образом, с помощью зависимости фазы коэффициента отражения от размеров ПЭ синтезируется геометрия раскрыва ПОАР.

Вторая часть представляет собой обзор наиболее распространенных математических моделей одиночных ПЭ.

Втретьей части дается обзор основных разновидностей элементов ПОАР таких, как однослойные и многослойные ПЭ, диэлектрические элементы, ПЭ в виде вложенных рамок, элементы с линиями задержки и двухчастотные ПЭ круговой поляризации. Кратко дано описание основных особенностей каждого из элементов, а также приводятся их основные электрические характеристики.

Вчетвертой части первой главы дается описание основных методов фазового синтеза: вариационного и итерационного. Возможность получать диаграммы направленности произвольной формы является одним из основных преимуществ ПОАР. В связи с этим, решение задачи фазового синтеза является важным этапом при проектировании таких антенн.

Впоследних двух частях первой главы производится обзор методов анализа

ипрактических реализаций ПОАР.

Вконце первой главы формируются задачи диссертационной работы.

Во второй главе автором формируется математическая модель ПОАР на основе конечно-бесконечных структур. Кроме того, проведены исследования свойств ПОАР с помощью полученной математической модели.

На данный момент используется два основных метода расчета характеристик ПОАР. Один из них основан на приближении локальной периодичности (ячейке Флоке), суть которого в том, что при анализе каждый ПЭ помещается в бесконечную планарную периодическую АР. Такой прием позволяет резко сократить время расчета, но имеет свои границы применимости, которые определяются отсутствием резких скачков в размерах соседних ПЭ. Другой метод расчета характеристик ПОАР представляет собой полноволновой электродинамический анализ всей структуры. Точность электродинамического анализа высокая, но могут возникнуть трудности, связанные с нехваткой машинных ресурсов. Модель ПОАР на основе конечнобесконечных структур является промежуточным вариантом, так как сочетает в себе свойства обоих методов. Конечно-бесконечные структуры используется с середины 70-х годов для моделировании АР с внутренним питанием, тем не менее, применительно к ПОАР данный подход в литературе практически не представлен.

7

В общем виде геометрия конечно-бесконечной структуры при возбуждении плоской либо сферической волной показана на рис.1а и рис. 1б соответственно. Вдоль оси OY раскрыв содержит бесконечное число элементов, в то время как вдоль оси OХ – только N элементов. Направление падения плоской волны

задается вектором волновых чисел kinc, либо, в частном случае (вектор kinc лежит в плоскости XOZ или XOY), просто углом θinc (см. рис. 1а).

Местоположение фазового центра сферической волны задается параметром F/D, где F - фокусное расстояние, D - размер раскрыва вдоль оси OX (рис. 1б).

Рефлектор ПОАР состоит из печатных излучателей, расположенных над экраном с диэлектриком, следовательно, рассеянное поле каждого ПЭ можно записать в виде суммы:

печатными излучателями, индекс «i» обозначает порядковый номер элемента, G(r, r`) - функция Грина, Ji (x ', y ') - плотность поверхностного электрического

тока. Кроссполяризационными составляющими излучения ПОАР, уровень

Рис. 1. Конечно-бесконечная ПОАР при возбуждении: а - плоской волной; б - сферической волной

которых обычно достаточно низкий, можно пренебречь и перейти от векторной записи выражения (1) к скалярной. Значение вектора Esi для основной поляризационной составляющей в дальней зоне принимает следующий вид:

8

Функция QxxS представляет собой Фурье-образ функции Грина для источника

электрического тока над экраном с диэлектриком и определяется следующими формулами:

волновое число в среде с относительной диэлектрической проницаемостью `,

Аналогично можно переписать второе слагаемое в формуле (1):

базисной функции плотности поверхностного тока фрагмента экрана, IiGr -

амплитуда поверхностного тока экрана, которая определяется источником. Формулы (2) и (4) получены путем записи (1) в спектральной области с последующим вычислением интегралов методом стационарной фазы для дальней зоны.

Врезультате, поле в дальней зоне, рассеянное рефлектором, можно записать

ввиде следующей суммы:

элемента экрана. Фактически выражение (5) представляет собой ДН, зная которую можно рассчитать такие характеристики ПОАР как КНД, ширину полосу рабочих частот.

Чтобы найти неизвестные амплитуды Ii при базисных функциях в формуле

(2) необходимо решить систему связанных интегральных уравнений (СИУ), представляющую собой запись граничного условия на поверхности

излучателей из идеально проводящего металла: ex Es Egr Einc 0 на

поверхности печатного излучателя (где Einc - поле источника). С помощью процедуры Галеркина СИУ сводится к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которую в матричном виде можно записать как Z I=V. Для

9

конечно-бесконечной структуры, изображенной на рис. 1, компоненты матрицы Z вычисляются как сумма интегралов:

где ky n 2n / b при n 0,1,2,..... , b - межэлементное расстояние вдоль оси OY.

При расчете структур с воздушным межслойным заполнением функции Грина в (6) определяются формулой (3). Если ` 1, то необходимо воспользоваться следующим выражением:

где z` - плоскость, в которой расположен источник; z - плоскость, в которой расположена точка наблюдения.

Элементы столбца напряжений Vi СЛАУ при возбуждении плоской волной можно записать как:

Ji (k0 sin inc ,0) E gr Einc

где inc - угол падения плоской волны. Сферическую волну можно представить как совокупность плоских волн, распространяющихся в разных направлениях.

В этом случае в (8) угол inc рассчитывается для каждого ПЭ: inci arctg Fxi ,

где xi - координата центра i-й базисной функции.

Далее, с помощью полученной модели, производятся расчеты характеристик ПОАР с различными геометрическими параметрами. Рассматриваются ПОАР с раскрывом 10λ х 10λ, 20λ х 20λ и 40λ х 40λ с отношением F/D=0.5, F/D=1 и F/D=2 (отношение фокусного расстояния к стороне раскрыва). Полученные данные систематизированы и сведены в графики на рис. 2 в виде зависимости ширины полосы рабочих частот по критерию снижения КУ на 1 дБ от отношения F/D. Из приведенных зависимостей видно, что как при уменьшении параметра F/D, так и при увеличении площади раскрыва полоса рабочих частот уменьшается. Переход на двухслойные ПЭ позволяет добиться значительного увеличения полосы рабочих частот по сравнению с однослойными структурами. Тем не менее, преимущество многослойных ПОАР в полосе частот уменьшается по мере роста площади раскрыва. Для однослойной АР с раскрывом 10λх10λ ширина

10