Методы широкоугольного сканирования в системах дистанционного зондирования радиодиапазона

Содержание___________________________________________________________2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.......................... 6
1 АНАЛИЗ 11РОБЛЕМНЫХ ВОПРОСОВ ТЕОРИИ ШИРОКОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННОГО И ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СКАНИРОВАНИЯ В СИСТЕМАХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ РАДИОДИАПАЗОНА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН........................................... 35
1.1 Требования, предъявляемые к антенным системам радиокомплексов дистанционного зондирования Земли............... 35
1.2 Обзор литературы и современное состояние вопроса............ 42
1.3 Постановка задачи........................................... 49
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФАР, СФОРМИРОВАННОЙ ИЗ ОТКРЫТЫХ КОНЦОВ ВОЛНОВОДОВ С ИСКУССТВЕННОЙ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ, УСТАНОВЛЕННОЙ
ПЕРЕД АПЕРТУРОЙ................................................. 55
2.1 Решение внешней задачи с учетом слоистой металлодиэлектрической среды перед апертурой ФАР................ 55
2.1.1 Конфигурация 1: ФАР из открытых концов волноводов с многослойным диэлектрическим укрытием........................... 58
2.1.2 Комбинации пассивных устройств в слоях диэлектрика: щель- ^ щель, щель-диполь, диполь-диполь..........................
2.2 Решение внутренней задачи с учетом в волноводах многослойных магнитодиэлектрических вставок.................................. 67
2.3 Вывод системы интегральных уравнений........................ 72
2.3.1 СИУ для ФАР из открытых концов волноводов с диафрагмой в раскрывс и многослойным магнитодиэлектрическим укрытием перед раскрывом.................................................. 73
2.3.2 СИУ для ФАР из многощелевых излучателей в торцах волноводов и многослойным магнитодиэлектрическим укрытием перед раскрывом.................................................. 77
2.3.3 СИУ для ФАР из щелевых излучателей в металлическом экране, возбуждаемых щелевыми излучателями в торцах волноводов 80
2.3.4 СИУ для ФАР из полосковых диполей возбуждаемых щелевыми излучателями в торцах волноводов................................ 82
2.4 Теоремы существования и единственности решения интегральных уравнений. Выбор метода решения................................. 84
2.4.1 Теоремы существования и единственности решения интегральных уравнений....................................................... 84
2.4.2 Выбор метода решения интегральных уравнений............... 91
2.5 Характеристики ФАР: коэффициент отражения, парциальная
диаграмма направленности, поляризационные характеристики элемента........................................................ 94
2.6 Тестирование программы по известным результатам численных расчетов элемента ФАР........................................... 97
Содержание____________________________________________________________З
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАР ИЗ ЩЕЛЕВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ЭКРАНЕ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ОТКРЫТЫМИ КОНЦАМИ ВОЛНОВОДОВ........................................................ 102
3 Л Геометрия задачи.............................................. 102
3.2 Решение внешней задачи для ФАР с бесконечно тонкими щелевыми экранами в слоях диэлектрика перед раскрывом................. 103
3.3 Учет толщины экрана при решении внешней задачи для ФАР со щелевым экраном и диэлектрическими слоями перед раскрывом 110
3.4 Результаты расчетов электродинамических характеристик ФАР из щелевых излучателей в горце волноводов............................ 113
3.4.1 Характеристики ФАР из щелевых излучателей в торце волноводов........................................................ 113
3.4.2 Тестирование программы по экспериментальным результатам 114
3.4.3 Результаты электродинамического моделирования характеристик ФАР из щелевых излучателей в торцах волноводов............... 1 17
3.5 Результаты расчетов электродинамических характеристик ФАР с металлическим щелевым экраном перед раскрывом................ 124
3.5.1 Влияние геометрических параметров щелевого экрана на характеристики согласования ФАР................................... 125
3.5.2 Исследование характеристик ФАР в секторе углов сканирования.. 127
3.5.3 Исследование характеристик ФАР в полосе частот и секторе
углов............................................................. 129
3.5.4 Влияние конечной толщины щелевого экрана на характеристики
ФАР............................................................... 135
3.5.5 Влияние диэлектриков на характеристики ФАР со щелевым
экраном перед раскрывом........................................... 139
3.6 Выводы к разделу.............................................. 144
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОУГОЛЬНОГО,
ШИРОКОПОЛОСНОГО СОГЛАСОВАНИЯ ФАР ИЗ ОТКРЫТЫХ КОНЦОВ ВОЛНОВОДОВ ПРИ ПОМОЩИ СЛОЯ ИСКУССТВЕННОЙ СРЕДЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ МНОГОРЯДНЫХ СЕТОК ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ............................... 146
4.1 Геометрия ФАР из открытых концов волноводов с пассивными цилиндрическими проводами в случае Н-поляризации.................. 147
4.2 Решение внутренней и внешней задачи для ФАР с учетом многорядной сетки из цилиндрических проводников перед раскрывом. 148
4.3 Система интегральных уравнений для определения поля в апертуре
и токов на проводниках. Коэффициент отражения в ФАР.......... 152
4.4 Решение для и0 и /0 в случае однорядной подрешетки
проводников перед апертурой ФАР................................... 154
4.4.1 Случай волновода полностью заполненного магнитодиэлектриком............................................... 154
Содержание
4
4.4.2 Случай слоистого в поперечном сечении магнитодиэлектрического заполнения волновода...................... 155
4.5 Решение для и0 и /0* в случае двурядной подрешетки проводников перед апертурой ФАР................................... 161
4.6 Результаты моделирования для ФАР с однорядной сеткой перед раскрывом......................................................... 162
4.7 Результаты моделирования АР из волноводов с частичным заполнением в поперечном сечении.................................. 173
4.8 Результаты моделирования для ФАР с двурядной сеткой перед раскрывом......................................................... 178
4.9 Выводы к разделу.............................................. 190
5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАР, СФОРМИРОВАННОЙ ИЗ ОТКРЫТЫХ КОНЦОВ ВОЛНОВОДОВ С ИСКУСТВЕННОЙ СРЕДОЙ В ВИДЕ ПОЛОСКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, УСТАНОВЛЕННОЙ ПЕРЕД АПЕРТУРОЙ......................................................... 192
5.1 Геометрия задачи.............................................. 192
5.2 Решение внешней задачи для ФАР из открытых концов волноводов с подрешеткой из полосковых проводников, устанавливаемых перед раскрывом в слоях диэлектрика................................ 194
5.3 Результаты электродинамического моделирования................. 199
5.3.1 Влияние е и и магнитодиэлектрической подложки на характеристики широкоугольного согласования ФАР при сканировании
ДН в Н-плоскости.................................................. 201
5.3.2 Характеристики согласования плоской ФАР при сканировании в Е-и Н-плоскостях для двухслойной диэлектрической конфигурации подложки полосковой подрешетки............................... 206
5.4 Широкоугольное согласование с помощью комбинации пассивных элементов в раскрыве ФАР.......................................... 210
5.5 Вы воды к разделу............................................. 215
6 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СКАНИРУЮЩИХ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕНН С ОПТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ............................................. 216
6.1 Взаимодействие СВЧ-излучения с многослойными металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) структурами.......................
6.1 Л Прохождение ЭМВ через многослойные структуры, состоящие из диэлектрических слоев, пленок металлов и полупроводников.......... 217
6.1.2 Наклонное падение электромагнитной волны на трехслойную структуру металл-диэлектрик-полупроводник......................... 219
6.1.3 Результаты моделирования наклонного падения Е-волн на комбинацию многослойных МДП-структур.............................. 224
6.1.4 Наклонное падение плоской волны Е-поляризации на отражательную периодическую решетку из волноводов с вставками в
виде структуры - полупроводниковая пленка - диэлектрик - металл... 226
Содержание
5
6.1.5 Результаты численного моделирования ОАР....................... 228
6.2 Сканирующая отражательная антенна с импедансным цилиндрическим рефлектором в виде слоистой структуры полупроводник-диэлектрик-металл с оптронным управлением 231
6.2.1 Геометрия и решение задачи.................................... 231
6.2.2 Результаты моделирования отражательной антенны................ 234
6.2.3 Рекомендации но выбору конструкции рефлектора сканирующей отражательной антенны с оптронным управлением....................... 239
6.3 Сканирующая реконфигурируемая отражательная антенная решетка
из щелевых и дипольных излучателей.................................. 241
6.3.1 Решение электродинамической задачи............................ 242
6.3.2 Математическая модель двущелевого излучателя ОДР 246
6.3.3 Математическая модель ОАР из дипольных излучателей............ 248
6.3.4 Результаты моделирования...................................... 249
6.3.5 Результаты моделирования ОАР из сдвоенных щелевых излучателей......................................................... 251
6.4 Волноводное моделирование элемента реконфигурируемой сканирующей ОАР из щелевых излучателей............................. 252
6.5 Исследование оптической системы управления геометрией щелевых излучателей ОАР..................................................... 262
6.5.1 Оценка параметров полупроводникового материала, используемого
в СВЧ-ключах, и толщины пленки...................................... 263
6.5.2 Оценка мощности оптического облучения, требуемой для возбуждения одного фоторезистивного СВЧ-ключа и всех СВЧ-ключей
в АР................................................................ 266
6.5.3 Пример реализации ОАР из сдвоенных щелевых реконфигурируемых излучателей - фазовращателей с оптронным управлением......................................................... 271
6.6 Выводы к разделу................................................ 273
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................... 276
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................... 280
ПРИЛОЖЕНИЕ А Вывод волновых матриц передачи для многослойной магнитодиэлектрической среды внутри волноводов и в свободном пространстве. Основные использованные интегралы и
формулы ............................................................ 292
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Экспериментальная проверка результатов математического моделирования ФАР из щелевых излучателей в торцах
волноводов.......................................................... 302
ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты внедрения диссертационной работы в практические конструкции антенн и антенных устройств................ 325
Введение, Краткая характеристика работы___________________________6
ВВЕДЕНИЕ
Фазированные антенные решетки (ФАР) прошли долгий путь развития. Первые ФАР были созданы более 50 лет назад и с тех пор находят широкое применение в различных радиоэлектронных системах. Интерес к ним не ослабевает и сегодня. Об этом свидетельствуют не прекращающиеся поиски новых, эффективных решений, опирающихся на самые современные технологии и способных существенно расширить сферы применения ФАР. Актуальность научной проблемы обусловлена интенсивным развитием научных приборов систем дистанционного зондирования (ДЗ) Земли и других планет солнечной системы, радиовидения, радиометрии и радиоастрономии, которые должны осуществлять обзор пространства (поверхности) в широком диапазоне углов наблюдения. Однако широкоугольный обзор пространства всегда входит в противоречие с энергетическим потенциалом системы. Поэтому, одним из путей повышения эффективности работы систем дистанционного зондирования является использование широкоугольного сканирования пространства узким лучом антенной системы.
Под широкоугольным сканированием понимается угол обзора пространства, который намного больше ширины луча антенной системы. В этом случае к таким антенным системам предъявляются всё более жесткие требования по обеспечению высокоскоростного обзора широкого пространственного сектора, оперативного управления формой диаграммы направленности антенны. С этими задачами в настоящее время успешно справляются фазированные антенные решетки (ФАР), состоящие из тысяч -десятков тысяч излучателей. В настоящее время ведутся интенсивные работы в области совершенствования известных и создания новых типов ФАР, происходит интенсивное освоение СВЧ и КВЧ диапазонов частот.
Введение. Краткая характеристика работы
7
Характеристики излучателей в составе антенной решетки отличаются от характеристик изолированного излучателя из-за наличия взаимных связей между ними и в силу краевых эффектов и существенно зависят от расположения излучателей в антенной решетке. Из-за этих физических явлений при сканировании диаграммой направленности антенны возникает рассогласование в трактах излучателей, вплоть до полного запирания («ослепления») антенной системы - полное отражение. С помощью простых трансформаторов сопротивлений в фидерах проблему ослепления ФАР и широкоугольного согласования при сканировании не решить. Для компенсации изменения входного импеданса излучателей при сканировании, организуются дополнительные цепи связи между фидерами, питающими излучатели, диэлектрические вставки внутри волноводов и многослойное диэлектрическое укрытие, многомодовые трансформаторы в апертуре излучателей, запредельные секции волноводов в апертуре, а так же пассивные проводящие элементы, устанавливаемые в раскрыве АР. Поэтому разработка методов компенсации изменения входного импеданса при широкоугольном сканировании ФАР в заданной полосе рабочих частот является актуальной научно-технической задачей.
В состав практических конструкций ФАР, как правило, входит очень важный элемент - радиопрозрачнос укрытие (РПУ). В случае ФАР для авиационной и космической техники РПУ носит название радиопрозрачный обтекатель. Основное назначение РПУ это защита от внешних воздействий среды аппаратуры радиоэлектронных комплексов. Механические и климатические внешние воздействия предъявляют требования к конструкции обтекателя по механической прочности, тепловому и аэродинамическому сопротивлению, вступающие в противоречия с функциональными радиотехническими требованиями, в том числе и с требованиями по широкоугольное™ сканирования в широкой полосе частот. В то же время, конструкция обтекателя, состоящая из диэлектрических слоев и пассивных проводящих проводников, оптимизированная совместно с
Введение. Краткая характеристика работы
8
излучающей структурой ФАР, позволяет решить компромиссную задачу защиты от внешних воздействий и задачу широкоугольного сканирования в требуемой полосе частот. Помимо этого, часто к конструкции обтекателя предъявляют требования по частотной селекции. Частотная селективность обтекателя в этом случае решает задачи радиомаскировки или снижения радиолокационной заметности летательного аппарата. Поэтому проблема разработки методов широкоугольного согласования ФАР из открытых концов волноводов при сканировании с использованием пассивных согласующих устройств, размещенных в слоях магнитодиэлектрика, образующих единую конструкцию антенна-обтекатель, является актуальной научной и практической задачей.
Для реализации широкоугольного сканирования антенной системой в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн научной и технической проблемой является создание фазовращателей, так как размеры фазовращателей ограничены размером периодической ячейки. Размеры ячейки могут быть существенно меньше длины волны, что необходимо для обеспечения режима сканирования без возбуждения дополнительных интерференционных максимумов в рабочей полосе частот. Кроме того, для фазированных антенных решеток этих диапазонов является определенной проблемой создание и распределительной системы для возбуждения излучающих элементов антенны. Поэтому актуальным является исследование физических процессов в ФАР с оптическими схемами распределения сигнала возбуждения, а в частности отражательных антенных решеток (ОАР), состоящих из реконфигурируемых излучателей, реализующих широкоугольное сканирование диаграммой направленности антенны, в которых модуляция фазы отраженной волны обеспечивается изменением геометрии (реконфигурацией) излучателя. Таким образом, реконфигурация излучателя в составе ОАР приводит к изменению поверхностного импеданса рефлектора антенны. Рефлектор, выполненный по многослойной печатной технологии, образует покрытие с управляемым
Введение. Краткая характеристика гавоты
9
поверхностным импедансом, которое в мировой литературе относят к технологии интеллектуальных покрытий или технологии Smart Skin. 13 последние годы наметился большой интерес исследователей и разработчиков к этому новому научному направлению. С использованием этой технологии можно создавать бортовые конформные антенны, цилиндрические и более сложной формы сканирующие антенны мобильных систем связи, радиолокационные покрытия летательных аппаратов и многое другое. Технология интеллектуальных покрытий, применительно к антеннам, предусматривает интеграцию в одной конструкции излучающего элемента и элемента управления. Примером таких интегрированных систем являются, например, реконфигурируемые антенны, в которых возможность управления фазой излучения заложена в конструкцию элемента ФАР. В качестве исполнительного элемента при реконфигурации излучателя ФАР применяют СВЧ-ключи, выполненные по технологии микро и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС). Однако у таких ключей есть и существенные недостатки, поэтому в практических конструкциях трудно обеспечить необходимую развязку между цепями управления, питания и информационной несущей частоты СВЧ или КВЧ диапазона. Проблема может быть решена с использованием элементов с оптронным управлением. Поэтому актуальными является проблема исследования физических явлений и процессов, происходящих в интеллектуальных антенных и радиолокационных покрытиях с оптронным управлением, а так же разработка методов их проектирования.
Альтернативой МЭМС- ключам, как элементам управления в реконфигурируемой антенне, могут являться полупроводниковые фоторезистивные (ПФР) СВЧ-ключи, использующие эффект фотопроводности (оптронный СВЧ-ключ). В последнее десятилетие достигнуты значительные успехи в синтезе полупроводниковых тонкопленочных материалов для изготовления полупроводниковых приборов с необходимыми свойствами темновой и освещенной фотопроводимости.
Введение. Краткая характеристика ракоты
10
Поэтому проблемы исследования реконфигурируемых антенн и интеллектуальных антенных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом, использующие полупроводниковые фотопроводящие пленки, являются так же актуальными.
Таким образом, существует народно-хозяйственная задача повышения эффективности систем дистанционного зондирования радиодиапазона ЭМВ и улучшения качества научных исследований за счёт увеличения информативности полученных результатов зондирования путём развития методов широкоугольного сканирования в радиофизических приборах ДЗ в рамках офаниченного энергетического потенциала.
Научной проблемой, вытекающей из народно-хозяйственной задачи, является исследование физических явлений и процессов, происходящих при широкоугольном электронном и оптоэлектронном сканировании в антенных системах, которые могут быть использованы для создания принципиально новых приборов ДЗ радиодиапазона ЭМВ.
Объект исследовании- электромагнитные поля, возбуждаемые и рассеиваемые в многоэлементных волноводных, щелевых, печатных фазированных и отражательных антенных решетках и их элементах.
Область исследования - электродинамика антенных систем в виде многоэлементных отражательных и фазированных АР с оптронным управлением с широкоугольным сканированием и теория их проектирования.
Предметом исследования являются:
• фазированные и отражательные антенные решетки из волноводных, щелевых и полосковых дипольных излучателей с широкоугольным сканированием луча с пассивными согласующими элементами в слоях магнитодиэлектрика, установленными в раскрыве антенны, методики их проектирования;
• отражательные антенны в виде интеллектуальных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом на основе фотопроводящих полупроводниковых пленок и реконфигурируемых
Введение. Краткая характеристика работы
11
щелевых или полосковых излучателей с фото про водя щи ми полупроводниковыми СВЧ-ключами, а так же методики их проектирования.
Цель исследований. Развитие методов электронного и оптоэлектронного широкоугольного сканирования в антенных системах приборов ДЗ радиодиапазона ЭМВ, а также ряда теоретических положений, математического моделирования и практики построения фазированных и отражательных антенных решеток сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн с широкоугольным электронным и оптоэлектронным сканированием, а так же новых типов сканирующих антенн на основе интеллектуальных покрытий.
Задачи исследований, которые вытекают из поставленной цели:
1. Разработать эффективные методики учета влияния на электродинамическом уровне строгости конструктивных элементов фазированных антенных решеток из щелевых излучателей в торцах волновода с учетом многослойных магнитодиэлектрических вставок внутри волноводов и многослойного диэлектрического укрытия перед апертурой.
2. Разработать эффективные электродинамические модели многоэлементных антенных решеток из волноводов с согласующей металлодиэлектрической средой (МДС) перед раскрывом антенны в виде щелевых экранов, полосковых (ленточных) проводников, диполей или многорядных сеток из цилиндрических проводников и их комбинаций в слоях магнитодиэлектрика в приближении бесконечных и конечных в бесконечном пассивном окружении периодических структур.
3. Разработать эффективные электродинамические модели сканирующих отражательных антенных решеток в виде интеллектуальных покрытий с оптронным и электронным управлением поверхностным импедансом на основе фотопроводящих полупроводниковых пленок и реконфигурируемых излучателей с ПФР СВЧ-ключами.
4. Исследовать с помощью созданных электродинамических моделей периодические ФАР с МДС перед раскрывом с широкоугольным
Введение. Краткая характеристика работы
12
сканированием луча в широкой полосе частот и линейной поляризации с низким уровнем кроссовой поляризационной составляющей.
5. Исследовать с помощью созданных электродинамических моделей сканирующие отражательные АР с оптически управляемым поверхностным импедансом в виде многослойной структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) и реконфигурируемых щелевых и дипольных излучателей с использованием ПФР СВЧ-ключей в качестве элемента коммутации.
6. Экспериментально исследовать возможности широкоугольного согласования фрагмента волноводной ФАР с помощью МДС, установленной перед раскрывом антенны, а так же в волноводном имитаторе характеристики рассеяния ЭМВ на щелевом излучателе ОАР.
Методика исследования - методы решения трехмерных задач электродинамики бесконечных и конечных периодических излучающих структур с использованием математического аппарата интегральных уравнений первого рода с последующим их решением проекционными методами.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке и обобщении ряда теоретических положений, разработке методологии проектирования ряда инновационных конструкций, совокупность которых можно квалифицировать, как решение крупной научной проблемы и развитие перспективного направления в области антенн СВЧ и КВЧ, имеющего важное народно-хозяйственное и оборонное значение.
Конкретно научную новизну составляют впервые подученные результаты:
1. Сформулирован единый подход к решению задачи электродинамического анализа методами ИУ первого рода волноводных фазированных антенных решеток с многослойной металлодиэлектрической средой перед раскрывом и многослойным частичным заполнением волноводов в приближении бесконечной периодической структуры для случая, когда МДС состоит либо из чередующихся диэлектрических слоев и
Введение. Краткая характеристика рльоты
13
металлических экранов конечной толщины со щелевыми излучателями и (либо) из чередующихся диэлектрических слоев и полосковых (ленточных) излучателей. Внутренняя и внешняя граничные задачи электродинамики сведены к системе ИУ относительно неизвестных полей в раскрывах волноводов, щелей и токов на полосках с последующим решением её модифицированным методом Галеркина с использованием базиса из ортогональных тригонометрических координатных функций с весом, учитывающим условие Мейкснера на кромках раскрывов волноводов, щелей и полосках (лент). Исследована корректность задачи, сформулированной в виде ИУ первого рода со сложными ядрами в спектральном представлении. Обоснован метод решения и выбор базисных функций.
2. Проведено обобщение электродинамической теории применительно к волноводным антенным решеткам с металлодиэлектрической средой, установленной перед раскрывом, позволившее получить новые знания по широкоугольному согласованию сканирующих остронаправлеииых антенн.
3. Разработана электродинамическая модель широкоугольной сканирующей волноводной антенной решетки с многорядной сеткой из цилиндрических проводников перед раскрывом антенны в приближении бесконечной и конечной в бесконечном пассивном окружении и е р и о д и ч ес ко й с тру кту р ы.
4. Разработаны электродинамические модели сканирующих отражательных антенных решеток в виде интеллектуальных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом на основе фотопроводящих полупроводниковых пленок и реконфигурируемых щелевых и дипольных излучателей с ПФР С’ВЧ-ключами.
5. Исследованы характеристики отражательных антенных решеток в виде интеллектуальных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом, а именно диаграммы направленности плоских и цилиндрических отражательных антенн. Определены требования к динамическому диапазону изменения фотопроводимости
Введение. Краткая характеристика работы
14
полупроводниковых элементов конструкции интеллектуального покрытия в освещенном и темновом состоянии, определены геометрические параметры антенны.
6. Предложен метод широкоугольного согласования волноводных ФАР с использованием экранов со щелевыми излучателями, установленными перед раскрывом антенны, обеспечивающий эффективную компенсацию изменения входного импеданса антенны при сканировании.
7. Предложен метод широкоугольного согласования волноводных ФАР с использованием экранов со сдвоенными и строенными щелевыми излучателями в каждом периоде решетки, установленными перед раскрывом антенны, обеспечивающий эффективную компенсацию изменения входного импеданса антенны при сканировании в широкой полосе частот.
8. Предложен метод широкоуг ольного согласования волноводных ФАР с использованием многорядных сеток из цилиндрических проводников, установленных перед раскрывом антенны, обеспечивающий эффективную компенсацию изменения входного импеданса антенны при сканировании в Н-плоскости.
9. Предложен метод широкоугольного согласования волноводных ФАР с использованием пассивного комбинированного устройства, состоящего из цилиндрических или ленточных проводников, установленных перед раскрывом антенны параллельно Е-плоскости волноводов, и пассивных закороченных волноводов (дроссель), размещаемых между активными волноводами в Е-плоскости, обеспечивающего эффективную компенсацию изменения входного импеданса антенны при сканировании в Е-плоскости и Н-плоскости.
Научная значимость работы состоит
• в развитии электродинамической теории широкоугольного электронного и оптоэлектронного сканирования в приборах ДЗ радиодиапазона ЭМВ;
• в создании методологии построения инновационных систем ДЗ в радиодиапазоне ЭМВ.
Введение. Краткая характеристика раьоты
15
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что на их основе:
• Предложен ряд инновационных конструкций сканирующих отражательных антенн в виде интеллектуальных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом покрытия, а именно: в виде многослойной структуры чередующихся слоев диэлектрика и полупроводниковой пленки планарной или конформной конструкции и ребристой поверхности с тем же многослойным заполнением.
• Предложена новая конструкция сканирующей отражательной антенной решетки из реконфигурируемых сдвоенных щелевых излучателей в каждом периоде решетки. Реконфигурация щелевых излучателей обеспечивается за счет коммутации их ПФР СВЧ-ключами с оптическим возбуждением.
• Разработаны методика и программы для ЭВМ, позволяющие проектировать многослойные радиопрозрачные антенные обтекатели совместно с волноводной антенной решеткой.
• Разработаны методика, измерительный стенд и программы обработки экспериментальных данных, позволяющие проводить исследование и прогнозирование характеристик согласования и диаграммы направленности многоэлементных ФАР, состоящей из тысяч излучателей на фрагменте антенной решетки из нескольких сотен излучателей при широкоугольном сканировании в секторе углов ± 60° в широкой полосе частот.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Комплекс электродинамических моделей многоэлементных фазированных антенных решеток из волноводов с пассивными согласующими элементами в раскрыве и отражательных антенных решеток с управляемым поверхностным импедансом, опирающихся на решение трехмерных задач электромагнитного возбуждения в приближении бесконечных и конечных периодических структур:
Ввкдкние. Краткая характеристика работы_____________________________16
■Модель ФАР из открытых концов волноводов с многощелевыми излучателями в торцах, с многослойным магнитодиэлектрическим заполнением или частичным магнитодиэлектрическим заполнением волноводов в поперечном сечении и многослойным диэлектрическим укрытием перед раскрывом;
■Модель ФАР из открытых концов волноводов с диафрагмой в раскрыве, с многослойным магнитодиэлектрическим заполнением волноводов, частичным магпитодиэлектрическим заполнением волноводов в поперечном сечении и с одним или двумя щелевыми экранами в слоях диэлектрика, установленными перед раскрывом, образующими металлодиэлектрическую среду;
■Модель ФАР из открытых концов волноводов с частичным
магнитодиэлектрическим заполнением в поперечном сечении С М1 югорядной сеткой из цилиндрических проводников, установленной в раскрыве антенны;
■ Модель ФАР из открытых концов волноводов с частичным
магнитодиэлектрическим заполнением в поперечном сечении металлодиэлектрической средой из ленточных излучателей, установленной в раскрыве антенны;
■Модель планарных или конформных сканирующих отражательных антенн с оптически управляемым поверхностным импедансом в виде многослойной структуры чередующихся слоев диэлектрика и полупроводниковой пленки и ребристой поверхности с тем же
м н огос л ой н ы м за п о л йен ие м ;
■Модель сканирующей отражательной антенной решетки из реконфигурируемых щелевых и дипольных излучателей с использованием фотопроводящих СВЧ-ключей с одним, двумя и более щелями (диполями) в периоде АР.
2. Широкоугольный, широкополосный элемент ФАР из сдвоенных или строенных щелевых излучателей в торцах волноводов.
Введение. Краткая характеристика работы
17
3. Новый метод широкоугольного согласования ФАР из открытых концов прямоугольных волноводов с помощью одного или нескольких щелевых экранов, размещаемых перед раскрывом ФАР.
4. Новый метод широкоугольного согласования волноводных ФАР с использованием пассивного комбинированного устройства, состоящего из цилиндрических или ленточных проводников, установленных перед раскрывом антенны параллельно Е-плоскости волноводов и пассивных закороченных волноводов (дроссель), размещаемых между активными волноводами в Е-плоскости.
5. Результаты проведенных исследований и параметры периодической структуры волноводов и согласующих устройств, при которых обеспечивается широкоугольное широкополосное согласование ФАР.
6. Новые конструкции планарных и конформных сканирующих отражательных антенн с оптически управляемым поверхностным импедансом в виде многослойной структуры чередующихся слоев диэлектрика и фотопроводящей полупроводниковой пленки и структуры в виде ребристой поверхности с тем же многослойным заполнением.
7. Новая конструкция сканирующей отражательной антенной решетки из реконфигурируемых излучающих элементов, состоящих из одной, двух и более щелей, изменение геометрии в которых осуществляется с использованием фотопроводящих СВЧ-ключей интегрированных в излучатель.
8. Результаты исследований и параметры сканирующих реконфигурируемых отражательных антенных решеток.
Достоверность результатов подтверждается
• Математической корректностью решения краевых задач электродинамики, которые опираются на строгие и приближенные м атем ати ч ес к и е м етоды;
Введение, Краткая характеристика работы
18
• Проведенными экспериментальными исследованиями, которые выполнены по апробированным методикам с помощью аттестованной стандартной измерительной аппаратуры;
• Согласованием основных теоретических положений, как с экспериментальными данными, так и в частных случаях математических моделей с известными опубликованными результатами.
Реализация и внедрение результатов работы. Изложенные в диссертации результаты исследований получены автором в ходе выполнения госбюджетных, хоздоговорных и инициативных коммерческих НИР и ОКР, проводимых в ОАО «НИК «НИИДАР», ООО «СиБи Град», ЗАО «Техноград Проект», ЗАО «НИИДАР-ГРАД», ЗАО «МИНЦ». Во многих этих НИР и ОКР автор являлся главным разработчиком антенно-фидерных устройств, научным руководителем научно-исследовательских работ и главным конструктором ОКР. Результаты работы используются предприятиями отрасли, в/ч 71330, зарубежной фирмой Component Communications Incorporation (USA), а антенны иод торговой маркой «Град» серийно производятся и используются российскими и зарубежными предприятиями связи, вычислительные программы и алгоритмы внедрены в процесс проектирования радиотехнических комплексов в НИИ и на промышленных предприятиях. Выше сказанное подтверждается соответствующими актами внедрения результатов диссертационной работы.
Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит выбор и постановка задач исследования; математическое обоснование и вывод основных аналитических выражений; разработка алгоритмов расчета; участие в составлении программ расчета, обсуждении и интерпретации полученных результатов; формулировка основных выводов и положений работ.
»ведение. Краткая характеристика рапоты
19
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
1. На международной конференции “Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации” (ARM1MP-2009), г. Суздаль, Россия, в 2009 г.
2. На двух международных конференциях “Радиолокация, навигация, связь” (RLNC 2009, RLNC 2010), г. Воронеж в 2009, 2010 гг.
3. На международном симпозиуме «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (PIERS 2009), г. Москва в 2009 г.
4. На международном объединенном Фельдовском и APS, LEOS and MTT/ED семинаре, ИРЭ РАН, г. Москва в 2009 г.
5. На 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Космическая радиолокация», г. Муром в 2010 г.
6. На двух Всероссийских конференциях «Радиолокация и радиосвязь», г. Москва, ИРЭ РАН в 2009. 2010 гг.
7. На VIII Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования», ВНТОРЭС им. А.С.Попова, г. Москва в 1991 г.
8. На межрегиональной научно-технической конференции ВНТО Радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова « Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования», г. Ленинград в 1991 г.
9. На двух Всесоюзных научно-технических конференциях «Теория и техника антенн», Москва, в 1985, 1987 гг.
10. На семинаре МНТОРЭС им. A.C. Попова «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот», г. Москва в 2009 г.
11. На семинаре кафедры математики физического факультета МГ У «Математические методы в естественных науках», г. Москва в 2007 г.
Введение. Краткая характеристика раьоты
20
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 38 научных работах, в том числе: 10 - научные статьи в журналах, входящих в «Перечень ...», из них без соавторов - 4 статьи; 8 - статей в региональных научных журналах; 13 - публикации в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций; 1 - авторское свидетельство на изобретение, 6 - депонированных рукописей.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий,
рекомсіідоваиных ВАК
1. Пр илуцкий A.A. Моделирование передачи изображений видовых средств дистанционного зондирования Земли по цифровым каналам связи / A.A. Прилуцкий, А.Н. Детков, И.А. Макаров, И.В. Козлов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2010. -№ 1.- С. 4-8.
2. Ир илуцкий A.A. Реконфигурируемые антенные системы// «Физические основы приборостроения».- 2011,Ноябрь. - С. 49-64.
3. Прилуцкий A.A. Сканирующая отражательная антенна с импедансным цилиндрическим рефлектором в виде слоистой структуры полупроводник-диэлектрик-металл с оптронным управлением II Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 4- С.53 -59.
4. Прилуцкий A.A. Взаимодействие СВЧ-излучения с многослойными металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) структурами // Успехи современной радиоэлектроники. - 2009. - № 9 - С. 74 - 80.
5 При лункий A.A. Использование подрешетки из полосковых элементов в слоях магнитодиэлектрика перед апертурой ФАР для улучшения согласования при сканировании // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2009. - N° 9. - С. 62 - 72.
6. Пр илуцкий A.A. Метод моделирования поляризационных портретов малоразмерных искусственных объектов радиолокации/ A.A. Прилуцкий, А.Н Детков, Д.А. Ницак //Электромагнитные волны и электронные системы. -2011.-Т.16.-№ 10.-С. 19-26.
Введение. Краткая характеристика раьоты
21
7. Прилуцкий A.A. Использование авиационной поляриметрической РСА для обнаружения спускаемого аппарата проекта «Фобос-Грунт» на фоне земной поверхности/ Родин А.Л., A.A. Прилуцкий, А.Н Детков, Д.А. Ницак// Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». - 2011. - № 4. - С. 50 - 57.
8. Прилуцкий A.A. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3-го поколения//Антенны. - 2005. - Вып. 10.-С. 52-54.
9. Прилуцкий A.A. Компенсация фазовых шумов на синхронном детекторе / A.C. Петров, A.A. Прилуцкий, O.A. Залевский // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2008. - № 11. - С. 49 - 53.
10. Прилуцкий A.A. Двухдиапазонные многолучевые приемопередающие ФАР для систем сотовой связи 3-го поколения / H.A. Бей, A.A. Прилуцкий // Антенны. - 2005. - Вып. 10. - С. 48 - 51.
11. Прилуцкий A.A. Антенные решетки из щелевых излучателей в торцах прямоугольных волноводов / Г.А. Евстропов, A.A. Прилуцкий // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 1988. -№ 10.-С. 49-52.
12. Прилуцкий A.A. Излучение волноводной антенной решетки с пассивными компенсационными проводами в случае 11-поляризации / Г.А. Евстропов, A.A. Прилуцкий // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 1989. - № 2. -С. 1270-1273.
Патенты и статьи в научных журналах
13. Авт. свидетельство 1561134 (СССР), МКИ4 (51)5 Н 01 Q 3/26, 21/00/ Фазированная антенная решетка [Текст] / Г.А. Евстропов, A.A. Прилуцкий; заявл. 03.01.1990; опубл. 30.04.90, Бюл. изобр. №16.
14. Прилуцкий A.A. Моделирование характеристик элемента сканирующей отражательной антенной решетки из щелевых излучателей / М.А. Жексенов, A.A. Прилуцкий, Е.А. Шепелева // Научный вестник Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики. -2011.-№4.-С.44-51.
15. Прилуцкий A.A. Моделирование поляризационного радиолокационного портрета спускаемого аппарата проекта «Фобос-Грунт» / A.A. Прилуцкий,
Введение. Краткая характеристика ракоты
22
А.Н Детков, Д.А. Ницак // Научный вестник Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики. - 2011. - № 4- С. 52 -59.
16. Прилуцкий Л.Л. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3G // Connect- Мир Связи. - 2004. - № 5.- С. 88 - 89.
17. Прилуцкий А.А. Характеристики фазированных антенных решеток из щелевых излучателей, прорезанных в торцах волноводов/ Г.А. Евстропов, А.А. Прилуцкий // Вопросы специальной радиоэлектроники. - 1985. - № 9-
С. 134- 136.
18. Прилуцкий А.А. Широкоугольное согласование волноводных антенных решеток при сканировании в Е и Н-плоскости при помощи пассивных проволочных подрешеток/ Г.А. Евстропов, А.А. Прилуцкий, С.И. Монаков // Вопросы специальной радиоэлектроники. - 1987. - № 1С. 91 - 101.
19. Прилуцкий А.А. Исследование характеристик ФАР с треугольной формой раскрыва/ С.11. Антонов, А.А. Прилуцкий И Вопросы специальной электроники. Серия ТТА. - 1983. -№ 1.-С. 54-65.
20. Прилуцкий А.А. Математическое моделирование радиотрасс при проектировании транкинговых систем радиосвязи / С.В. Богданов, А.А. Прилуцкий // CONNECT! Мир связи. - 2000. - № 11/2. - С.86-87/ URL: htlp/www. connect, г и.
21. Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3G // CONNECT! Мир связи. - 2004. - № 5. - С. 88-89/ URL: htlp/www. connect.ru.
Статьи в сборники научных трудов, доклады на конференциях
22. Andrey A. Prilutskiy Mathematical Model of the Phased Open Ended Waveguides Array Antenna with Multilayered Grids from Cylindrical Conductors before the Aperture // Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009), Moscow, Russia, August 18-21, 2009, The Electromagnetics Academy, Cambridge, Massachusetts, USA, Draft proceedings.-PP. 1402-1406.
23. Andrey A. Prilutskiy Mathematical model of an infinite periodic open ended slot lines array antenna // Progress in Electromagnetics Research Symposium
Введение. Краткая характеристика работы
23
(PIERS 2009), Moscow, Russia, August 18-21, 2009, The Electromagnetics Academy, Cambridge, Massachusetts, USA, Draft abstracts.- PP. 166-166.
24. Andrcy A. Prilutskiy Mathematical model of an infinite periodic open ended waveguide array antenna with multilayered dielectric filling in a cross section// Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009), Moscow, Russia, August 18-21, 2009,The Electromagnetics Academy, Cambridge, Massachusetts, USA, Draft abstracts.- PP. 167-167.
25. Прилуцкий А.А. Компенсация изменения входного сопротивления парциального излучателя ФАР из открытых концов волноводов при сканировании// Труды 3-ей Международной конференция “Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации” (ARMIMP-2009), Суздаль, 19-21 сентября, 2009.
26. Прилуцкий А.А. Математическое моделирование отражательной антенной решетки из сдвоенных щелевых излучателей/ Е.А. Шепелева // Труды 4-ей Международной конференция “Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации” (ARMIMP-2009).-Суздаль.- 20-22 сентября.-2011.-С. 116-120.
27. Прилуцкий А.А. Волноводное моделирование реконфигурируемого шелевого элемента сканирующей отражательной антенной решетки с оптронным управлением/ М.А. Жексеиов, Е.А. Шепелева // Труды 4-ей Международной конференция “Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации” (ARMIMP-2009).- Суздаль.- 20-22 сентября.-201 I .-С. 121 -124.
28. Прилуцкий А.А. Широкоугольная ФАР, сформированная из открытых концов волноводов с многорядной сеткой из цилиндрических проводников перед апертурой// XV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, радионавигация, связь» (RLNC-2009), Воронеж, 14-16 апр.
2009. Т 1. - Воронеж: НПФ «Саквоее». - 2009. - С. 439 - 446.
29. Прилуцкий А.А. Эффективная передача изображений видовых средств дистанционного зондирования Земли по цифровым каналам связи / А.А.
Введение. Краткая характеристика работы
24
Прилуцкий, А.Н Детков, И.А. Макаров, И.В. Козлов // XVI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, радионавигация, связь» (RLNC-2010), Воронеж, 13-15 апр. 2010. Т 1. - Воронеж: НПФ «Саквоее». -
2010.-С. 985 -994.
30. Прилуцкий A.A. Наклонное падение плоской волны Е-поляризации на отражательную периодическую решетку из волноводов с вставками в виде структуры - полупроводниковая пленка - диэлектрик - металл // XVI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, радионавигация, связь» (RLNC-2010), Воронеж, 13-15 апр. 2010. Т 2. -Воронеж: НПФ «Саквоее». - 2010. - С. 1662 - 1668.
31. Прилуцкий A.A. Широкоугольная ФАР, сформированная из открытых концов волноводов с многослойной металлодиэлектрической средой (МДС) перед апертурой/7 Доклад на Объединенном Фельдовском APS, LEOS and MTT/ED Chapters in Russia Section, ИРЭ РАН, Москва, -3 марта, 2009.
32. Прилуцкий A.A. Сканирующая реконфигурируемая отражательная антенная решетка из щелевых излучателей/ A.A. Прилуцкий, Е.А. Шепелева // Труды IV Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 29 ноя. -3 дек. 2010. - М.: ИРЭ РАН. - 2010. - С. 353-360.
33. Прилуцкий A.A. Широкоугольное согласование ФАР, сформированных из открытых концов волноводов при помощи многослойных металлодиэлектрических сред (МДС)// Доклад на семинаре «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот», Москва, 23-24 января 2009. - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова. - 2009.
34. Прилуцкий A.A. Комплекс программ для расчета электродинамических характеристик ФАР из щелевых излучателей в торцах волноводов/ Г.А. Евстропов, A.A. Прилуцкий //Труды Межрегиональной научно-технической конференции «Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования», Ленинград, 23-24 января 1991.-Л.: ВНТОРЭС им. A.C. Попова. - 1991.- С. 17-26.
Введение. Краткая характеристика ракоты
25
35. Прилуцкий A.A. Система автоматизированного проектирования и исследования антенно-фидерных устройств// Труды VIII Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования», Москва, 16-18 окт. 1991. - М.: ВНТОРЭС им. A.C. Попова. -1991.-С. 184-185.
36. Прилуцкий A.A. Излучение из периодической системы волноводов с многослойным магнитодиэлектрическим заполнением в поперечном сечении// Труды III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 26-30 окт. 2009. - М.: ИРЭ РАН. - 2009. - С. 58-62.
37. Прилуцкий A.A. Радиолокаторы непрерывного излучения в виде кластеров микро-КА - новое качество в развитии глобальных инфокоммуникационных систем / В.А. Басистов, A.A. Прилуцкий, В.Д. Кусков, Б.С. Лобанов, В.Ф. Фатеев // Труды Всероссийской научно-практической конференция «Космической радиолокация», Муром, 28 июня-1 июля 2010. - Владимир: Изд-во ВГУ. - 2010. - С. 31 -34.
Депонированные рукописи
38. Прилуцкий A.A. Метод вычисления парциальной диаграммы направленности элемента бесконечной антенной решетки / A.A. Прилуцкий; ПИНДАР. - М.; ВИМИ, 1988, Вып. №5. - 11 с. - Деп. в НИИЭР 13.6.1988, № 3-8370.
39. Прилуцкий A.A. Исследование граничных интегральных уравнений задачи излучения электромагнитной волны Е-поляризации из периодической структуры полубесконечных волноводов / A.A. Прилуцкий; НИИДАР. - М.; ВИМИ, 1989, Вып.№2 - 9 с. - Деп. в НИИЭР 10.8.1989, № 3-8551.
40. Прилуцкий A.A. Исследование влияния атмосферных осадков на параметры радиопрозрачного укрытия / A.A. Прилуцкий; НИИДАР. -М.; В ИМИ, 1991, Вып. №2 - 4 с. - Деп. в НИИЭР 13.6.1991, № 3-8834.
41. Прилуцкий A.A. Электродинамическая модель антенной решетки из щелевых излучателей в торце волноводов/ Г.А. Евстропов, A.A. Прилуцкий;
Введение. Краткая характеристика работы
26
НИИДАР.-М.; ВИМИ, 1988, Вып. №9 - 15 с. -Деп. в НИИЭР 16.9.1988, ЛЬ 3-8468.
42. Прилуцкий A.A. Расширение углового сектора сканирования ФАР при помощи пассивных элементов, устанавливаемых в раскрывс решетки/ Г.А. Евстроиов, A.A. Прилуцкий, С.И. Монаков; НИИДАР- - М.; ВИМИ, 1990. Вып. №10- 12 с.-Деп. в НИИЭР 13.6.1988, № 3-8793.
43. Прилуцкий A.A. Характеристики волноводной ФАР с многослойным РПУ/ A.A. Прилуцкий; НИИДАР. - М.; 1988. - 3 с. - НИИЭИР, 1988, Серия PC-АН, №11, Деп. в ВИМИ № Г92840.88.РТ.08.47.45.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 43 научных работах, в том числе: 12 - научные статьи в журналах, входящих в «Перечень ...», из них без соавторов - 5 статей; 8 - статей в региональных научных журналах; 15 - публикации в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций; 1 - авторское свидетельство на изобретение, 6 - депонированных рукописей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, и трех приложений с резулшагами экспериментов и актами внедрения. Основная часть диссертационной работы изложена на 291 машинописных страницах текст, в числе которых 180 рисунков и 7 таблиц и библиографический список из 122 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, показана практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание диссертационной работы.
В первом разделе проведен анализ проблемных вопросов теории широкоугольного электронного и оптоэлектронного сканирования в системах ДЗ радиодиапазона ЭМВ, сформулированы требования к антенным системам
Введение. Краткая характеристика работы
27
радиокомплексов. На основе выполненного анализа известных источников сформулированы основные направления совершенствования фазированных антенных решеток с широкоугольным сканированием лучом фазированных и отражательных антенных решеток радиокомплексов ДЗ космического и воздушного базирования. Показало, что одним из перспективных направлений путей реализации широкоугольного сканирования в ФАР является исследование влияния пассивных элементов, таких как ленточные, цилиндрические проводники, щели и диполи, помещаемые в слоях диэлектрика в раскрыве антенны, на изменение входного импеданса элемента антенной решетки при сканировании.
В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн трудности по созданию тракта возбуждения ФАР преодолеваются использованием оптических схем возбуждения. Показано, что наиболее перспективным типом антенн с радиооптической схемой возбуждения являются планарные и конформные сканирующие отражательные антенные решетки (ОАР) с управляемым поверхностным импедансом. Управляемый поверхностный импеданс составляет основу интеллектуальных (умных) радиопокрытий. За рубежом принята терминология -Smart Skin. Эти антенны соединяют в себе преимущества зеркальных антенн по простоте формирования узких диаграмм направленности и достоинства ФАР с широкоугольным сканированием. В отличие от гибридных зеркальных антенн, ОАР с управляемым поверхностным импедансом обеспечивают широкоугольное сканирование лучом. Наибольший интерес исследователей во всем мире направлен на исследования реконфигурируемых антенн отражательного типа, и в частности, с оптронным управлением. Распространенными элементами управления, интегрированными в апертуру реконфигурируемых излучателей, являются МЭМС СВЧ-ключи, ключи на основе полевых транзисторах (FET-ключи), варакторы, оптронные ПФР СВЧ-ключи и другие элементы.
В разделе выполнена общая постановка задачи, решаемой в диссертации. В разделе также приведен обзор методов электродинамического
Введении. Краткая характеристика рльогы
28
анализа рассматриваемых структур и обоснован выбор метода решения краевой задачи - метода интегрального уравнения (ИУ), приведен общий алгоритм решения краевой задачи в виде системы ИУ.
Во втором разделе приведено решение задачи излучения ФАР из открытых концов волноводов в приближении бесконечной периодической структуры с многослойной металлодиэлектрической средой, состоящей из чередующихся экранов со щелевыми излучателями и полосковых (ленточных) и дипольных излучателей в слоях магнитодиэлектрика. Приведено решение внутренней задачи при наличии в волноводах многослойных магнитодиэлектрических вставок, решение внешней задачи с учетом многослойной металлодиэлектрической среды для трех возможных комбинаций щелей и диполей перед апертурой волноводной АР слоях. Приведен вывод системы интегральных уравнений (СИУ) относительно неизвестных касательных составляющих вектора электрического поля в торцах волноводов, в щелевых излучателей в экранах и токов на полосковых (ленточных) и дипольных излучателях. Для решения СИУ применим метод Галеркина. Существенным моментом при решении ИУ первого рода этим методом является выбор базисных функций, так как они в значительной степени определяют точность, сходимость и устойчивость решения. Использование априорных сведений о решении при выборе базисных функций повышает точность аппроксимации решения и скорость сходимости приближенного решения к точному решению, а как следствие, снижение требований к вычислительным ресурсам. Предложено выделение сингулярного поведения поля у ребра или кромки щели, кромки полоскового диполя в виде произведения сингулярной и гладкой функций.
Исследована корректность задачи, сформулированной в виде ИУ первого рода, с ядрами, представленными в спектральном виде для задачи излучения из периодической системы открытых концов волноводов. Обоснован метод решения и выбор базисных функций. Исследована внутренняя сходимость алгоритма моделирования. Проведено тестирование
Введение. Краткая характеристика раьоты
29
результатов численного моделирования по частным результатам известным из литературы и тестирование алгоритма и программ экспериментально па физической модели одиночного излучателя. Приведен вывод основных характеристик ФАР: коэффициента отражения, парциальной диаграммы
направленности, поляризационных характеристик элемента в составе ФАР. Сделаны выводы по разделу.
В третьем разделе приведено решение задачи возбуждения решеткой из открытых концов волноводов с резонансной диафрагмой в торце металлодиэлектрической среды, состоящей из слоистой структуры щелевых экранов и магнитодиэлектрических слоев. Рассмотрен частный случай, когда экран со щелями гальванически примыкает к торцам волноводов. Показано, что ФАР из сдвоенных щелевых излучателей в торцах волноводов имеет диапазонные свойства, как у открытого конца волновода, по имеет преимущества в широкоугольности. При сканировании в конусе с углом при вершине 120° коэффициент отражения меньше 0.6, в конусе с углом 90° меньше 0,45. Полоса частот по уровню коэффициента отражения 0,4 составляет не менее 45%. Проведено исследование влияния геометрических параметров щелевых экранов, установленных перед раскрывом волноводной ФАР, на широкоугольное широкополосное согласование. Показано, что согласование ФАР с помощью щелевых экранов в секторе углов имеет преимущество по сравнению с использованием для согласования диэлектрических слоев, гак как в момент возникновения дифракционного луча не происходит запирания ФАР, связанного с резким рассогласованием входного сопротивления апертуры с волновым сопротивлением схемы питания.
В четвертом разделе изложена постановка и приведено решение модельной двумерной задачи об излучении Н-волн из бесконечной периодической решетки плоских волноводов, перед раскрывом которых параллельно их Е-плоскости установлена периодическая подрешетка (однорядная или многорядная) из цилиндрических идеально проводящих
Введение. Краткая характеристика работы
30
проводников. Шаг подрешетки из проводников совпадает с шагом волноводной ФАР. Волноводы имеют частичное диэлектрическое заполнение и равномерно возбуждаются волнами типа Н|0 с прогрессивным набегом фазы. Система уравнений для определения поля в апертуре волновода и амплитуды токов на проводниках получена из граничных условий для тангенциальных компонент полного электрического поля на проводах и условия непрерывности тангенциальных компонент полного магнитного поля в раскрыве волноводов:
Приведено решение внутренней граничной задачи с учетом частичного заполнения поперечного сечения волноводов и внешней граничной задачи для многорядной сетки из цилиндрических проводников перед раскрывом. Математическая модель сформулирована в виде системы НУ. Подрешетка из цилиндрических проводников позволяет за счет выбора геометрии согласовать плотную АР (шаг решетки < А/2) при требуемых углах отклонения ДН. Показано, что использование однорядных и многорядных сеток из тонких цилиндрических проводников, устанавливаемых перед раскрывом, расширяет возможности согласования АР в секторе углов и в рабочей полосе частот. Однако предельно достижимые параметры: сектор сканирования ±45° в полосе частот 45% при максимальном уровне коэффициента отражения 0,7. Целесообразно использовать многорядные сетки в составе радиопрозрачных укрытий (РПУ) для придания им механической прочности и как элемент подстройки параметров ФАР, при установке РПУ в ближнем поле антенны, а так же для создания секторных парциальных ДМ. Использование диэлектрических всіавок для частичного заполнения поперечного сечения волновода расширяет возможности по использованию диэлектриков при согласовании волноводных АР.
В пятом разделе на основе метода частичных облас тей и ме тола ИУ разработана математическая модель и исследованы характеристики многослойной металлодиэлектрической среды, состоящей из чередующихся диэлектрических слоев и ленточных проводников и (или) полосковых
Введение. Краткая характеристика рлкоты
31
диполей, выполненных печатным способом. Практический интерес представляет сетка из ленточных полосков, ширина которых много меньше длины волны, а толщина пренебрежимо мала. Задача сформулирована в виде системы интегральных уравнений 1-го рода, которая решается относительно неизвестных полей в апертуре открытых концов волноводов и токов на полосковых элементах. В широкой полосе частот проведен численный анализ влияния параметров искусственной металлодиэлект ричсской среды на электродинамические характеристики ФАР при сканировании. Исследовано поведение модуля коэффициента отражения при сканировании для различной геометрии подрешстки из полосковых элементов. Использование подрешетки из ленточных элементов перед апертурой ФАР совместно с диэлектрическими вставками внутри волноводов улучшает характеристики ФАР при сканировании. Наилучшего согласования ФАР можно добиться при расположении проводников между волноводами параллельно Е-плоскости. Можно подобрать параметры подрешетки так, что она не будет ухудшать характеристики ФАР при сканировании. Ленточные проводники можно включать в состав РПУ. В разделе на электродинамической модели исследована возможность широкоугольного согласования волноводной ФАР при помощи предложенных комбинаций пассивных элементов. Показано, что установка в апертуре антенны подрешетки проводников цилиндрических, или ленточных на определенном расстоянии /? улучшает согласование антенны в определенном секторе углов сканирования, при этом характер убывания коэффициентов взаимной связи не изменяется, а фаза коэффициентов взаимной связи зависит исключительно от расстояния между элементами. Изменение фазы соответствует скорости распространения волны в свободном пространстве. Следовательно, такая система не может обеспечить постоянство входного сопротивления при сканировании в заданном секторе углов.
Установка в апертуре антенной решетки, наряду с активными элементами, пассивных волноводных элементов в каждой периодической