На правах рукописи

Малов Андрей Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2006.

Работа выполнена в МОСКОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ИНСТИТУТЕ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ).

Научный руководитель член-корр. РАН, профессор, Бахрах Лев Давидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сазонов Владимир Васильевич кандидат технических наук, профессор Чистюхин Виктор Васильевич Ведущая организация ФГУП ОКБ МЭИ, г. Москва

Защита диссертации состоится л 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 при Государственном унитарном предприятии Научно-производственный центр СПУРТ по адресу: 124460, Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д. 4, ГУП НП - СПУРТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НП - СПУРТ.

Автореферат разослан л _ 2006 г.

Соискатель А.В. Малов Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент В.П. Мартынов 2 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Одним из перспективных направлений современной антенной техники является совершенствование способов сканирования диаграммой направленности (ДН) антенных решеток, в частности обеспечивающих возможность реализации широкоугольного сканирования.

Сканирование осуществляется с использованием как дискретных или аналоговых фазовращателей (фазовое сканирование), так и путем изменения частоты (частотное сканирование).

Реализация фазового сканирования в больших многоэлементных решетках требует большого количества сравнительно дорогих фазовращателей, что приводит к существенному увеличению массы и стоимости конструкции, а также усложняет управление. Кроме того, эффективные фазовращатели разработаны и освоены промышленностью не для всех представляющих интерес частотных диапазонов, по причине чего поиск альтернативных способов сканирования продолжает привлекать внимание разработчиков антенных решеток.

Способ частотного сканирования свободен от указанных недостатков, но в его традиционной реализации частота используется как управляющий параметр, что является ограничивающим фактором с точки зрения оптимального приема и помехозащищенности.

Поэтому разработка способов сканирования, обладающих достоинствами частотного способа и свободных от присущих ему ограничений, является практически важной задачей.

В работе исследованы различные модификации одного из таких способов сканирования ДН антенных решеток, в силу чего тема диссертации является актуальной.

При этом амплитудно-фазовое распределение (АФР), удовлетворяющее техническим требованиям к характеристикам излучения, предполагается выбранным, и исследуется лишь оптимальный с точки зрения максимизации сектора сканирования и экономической целесообразности способ сканирования применительно к приемным антенным решеткам (АР).

Цель настоящей работы - исследование принципов и разработка схем реализации нового способа сканирования без использования фазовращателей и определение предельных возможностей этого способа в отношении обеспечения максимального сектора сканирования при минимальной ширине полосы используемых частот.

Задачи исследований Поставленная цель достигнута решением следующих задач:

1. Проанализированы имеющиеся данные о секторах сканирования в различных канализирующих системах при частотном сканировании.

2. Разработаны принципы нелинейного сканирования и исследованы его возможности при последовательной запитке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка).

3. Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования (максимальный сектор сканирования, соответствующие ему коэффициенты частотного перекрытия, максимальное количество излучателей в линейке) при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях.

4. Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

5. Получено экспериментальное подтверждение возможности реализации нелинейного сканирования применительно к одной из дисперсионных канализирующих систем.

Основные положения и результаты, представленные к защите 1. Новые принципы нелинейного сканирования для вариантов с последовательной запиткой линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, и при смешанной запитке линейки излучателей.

2. Физические и математические модели различных схем нелинейного сканирования и результаты модельных расчетов для варианта с пространственной запиткой эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве.

3. Результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов для варианта с параллельной запиткой и использованием линий задержки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

4. Экспериментальные результаты по нелинейному сканированию в приемной АР с дисперсионной канализирующей системой.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Разработаны новые принципы нелинейного сканирования в дисперсионных канализирующих системах, выполненных на основе полого, полностью или частично заполненного диэлектриком прямоугольного волновода и ребристой структуры для вариантов с последовательной и смешанной запиткой излучателей. Рассчитаны предельные секторы сканирования и соответствующие им коэффициенты частотного перекрытия для этих структур.

2. Впервые получено экспериментальное подтверждение возможности реализации нелинейного сканирования в волноводно-щелевой конструкции, выполненной на основе полого прямоугольного волновода.

3. Доказана возможность расширения предельного сектора сканирования для случаев пространственной запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, и параллельной запитки линеек излучателей и использования линий задержки, расположенных в недисперсионной системе. В последнем случае предложено конструктивное упрощение.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработанные принципы нелинейного сканирования применительно к дисперсионным канализирующим системам и варианту смешанной запитки вносят вклад в теорию сканирующих антенных решеток и существенно расширяют их функциональные возможности.

2. Результаты работы использованы при проведении работ по экспериментальной проверке нового способа фазирования приемной антенной решетки на двух секциях антенны Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1000. В результате удалось получить плавное сопровождение наблюдаемых радиоисточников на двух секциях радиотелескопа ДКР-и повысить надежность управления диаграммой направленности за счет исключения коммутационных элементов. Практическая реализация примененного способа управления диаграммой направленности открывает перспективы создания новых приемных антенных решеток с его использованием.

3. Полученные результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов применительно к недисперсионным и дисперсионным канализирующим системам позволяют реализовать широкоугольное сканирование без использования фазовращателей с сохранением частоты излучаемого колебания применительно к большим многоэлементным АФАР, используемым в связных и иных системах, при существенном снижении массы конструкции и упрощении управления.

Достоверность и обоснованность Достоверность и обоснованность основных научно-технических положений основывается на применении апробированного математического аппарата и совпадении полученных результатов в предельных случаях с опубликованными ранее.

Апробация работы Основные результаты работы доложены на двух конференциях:

11-й Международная Крымская Микроволновая Конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" КрыМиКо/ 2001 г., г. Севастополь;

Всероссийская научно-техническая конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн". ИРЭМВ. 2001 г., г. Таганрог.

Внедрение результатов работы Результаты исследований были использованы при проведении работ по экспериментальной проверке нового способа фазирования приемной антенной решетки на двух секциях антенны Восток-Запад радиотелескопа ДКР-1000 в ПРАО АК - ФИАН г.

Пущино, что подтверждается соответствующим актом.

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ.

ичный вклад автора Личный вклад автора заключался в участии в постановке задач и развитии идеи нелинейного сканирования, разработке методов анализа различных дисперсионных структур, проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, определении дальнейших задач и перспектив нелинейного сканирования.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 47 наименований. Основное содержание изложено на 163 страницах текста, иллюстрированного 85 рисунками и 31 таблицами.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены положения, выносимые на защиту.

В 1997 году был предложен новый способ электрического сканирования, позволяющий реализовать качание луча без использования фазовращателей при неизменной частоте излучаемого колебания [1]. Суть предложенного способа состоит в суперпозиции волн от двух расположенных в разных точках пространства источников (генераторов), излучающих колебания с различными переменными частотами. При этом частоты обоих генераторов изменяются синхронно таким образом, чтобы их разность или сумма оставалась неизменной. Суммарное поле этих источников детектируется на нелинейных элементах, встроенных в излучатели. В результате на выходе нелинейных элементов возникает достаточно сложное результирующее колебание, содержащее разность и сумму частот первичных источников. Одно из таких колебаний выделяется с помощью полосовых фильтров и излучается в свободное пространство посредством излучателей, настроенных на частоту выделенной комбинационной составляющей.

Изменение фазового распределения вдоль линейки излучателей, необходимое для реализации сканирования, создается за счет использования геометрических особенностей цепей запитки излучателей линейки. Далее новый способ для краткости будем называть нелинейным сканированием.

В первой главе дан краткий анализ основных способов электрического сканирования и имеющихся сведений о предельных секторах сканирования ск. max и коэффициентах частотного перекрытия fmax/fmin, применительно к ряду канализирующих систем при частотном сканировании (таблица 1).

Таблица Канализирующая система fmax/fmin ск. max, 1. Прямоугольный полый волновод, в котором:

Излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по 12Е60 1,одну сторону от нейтрали Излучатели расположены вдоль широкой стенки попеременно по -85Е14 1,разные стороны от нейтрали 2. Прямоугольный волновод, полностью заполненный диэлектриком, в котором:

Излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по 13,3Е85 1,одну сторону от нейтрали Излучатели расположены вдоль широкой стенки попеременно по -85Е1,разные стороны от нейтрали 3. Прямоугольный волновод с диэлектрической пластиной, расположенной вдоль узких стенок в плоскости симметрии, в котором:

* Излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по 10Еодну сторону от нейтрали * Излучатели расположены вдоль широкой стенки попеременно по -85Еразные стороны от нейтрали 4. Ребристая структура -85Е85 <1,* - в зависимости от диэлектрической проницаемости и толщины пластины.

Вторая глава посвящена развитию теории нелинейного сканирования, проведению модельных расчетов и исследованию предельных возможностей нелинейного сканирования при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях. В ней также исследуются предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.

Нелинейное сканирование было реализовано первоначально для случая пространственной запитки эквидистантной линийки излучателей, расположенной в свободном пространстве. Была продемонстрирована возможность качания луча в угловом секторе (-3Е3) относительно нормали [2].

Во второй главе исследованы различные конфигурации, в которых варьировались взаимное расположение первичных источников и линейки излучателей, расстояния между соседними источниками, рабочие диапазоны и законы изменения частот первичных источников (постоянство разностной или суммарной частоты). Результаты исследований подтвердили возможность существенного расширения предельного сектора сканирования.

Из модельных расчетов следует, что при расположении первичных источников А и В вдоль линии, параллельной линейке излучателей (рис. 1) и следующих геометрических параметрах: расстоянии между источниками АВ=0,45 м; расстоянии от источников до линейки АО=3 м, расстоянии между соседними излучателями OC=CD=Е=d=0,15 м, при постоянной частоте излучаемого колебания, соответствующей разности частот первичных источников f0=f=2 ГГц, сектор сканирования составит (2Е39). Для перекрытия указанного сектора требуется изменение частот f1 и f2 соответственно в диапазонах f1=(10,1Е2,1) ГГц и f2=(8,1Е0,1) ГГц (коэффициенты частотного перекрытия составят 4,и 81).

О D Е С А В Рис. 1. Один из вариантов конфигурации, предлагаемой для реализации нелинейного сканирования.