Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам

Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

 

ОСТАНКОВ Александр Витальевич

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕЗОНАНСНЫХ ГРЕБЕНЧАТЫХ СТРУКТУР ДЛЯ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ АНТЕНН

Специальность:а 05.12.07 -аа Антенны, СВЧ устройства

и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж-2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Научный консультантаа доктор технических наук, профессор

Юдин Владимир Иванович

Официальные оппоненты:а доктор технических наук, профессор

Ярыгин Анатолий Петрович;

доктор физико-математических наук,

профессор

Литвинов Олег Станиславович;

доктор физико-математических наук,

профессор

Бобрешов Анатолий Михайлович

Ведущая организация ОАО "Концерн "Созвездие"

(г. Воронеж)

Защита состоится 15 декабря 2011 г. в 14Ч часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической бибнлиотеке ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический унинверситет".

Автореферат разосланаа "___ " ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Макаров О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Последняя четверть ХХ-го века отмечена появлением нового направления в технике антенных решеток, связанного с использованием открытых излучающих линий передачи. Применение резоннансной дифракционной решетки (с периодом, соизмеримым с длиной волны ?0), обеспечивающей эффект пространственного преобразования поверхнонстной волны линии в объемную (излучаемую) волну, позволило реализовать конструктивно простые и технологичные дифракционные антенны вытекаюнщей волны. Обладая малой размерной глубиной и высоким КПД, подобные антенны нашли и находят применение в стационарных и мобильных радионэлектронных комплексах двойного назначения. Электродинамическая струкнтура, состоящая из планарного диэлектрического волновода и решетки, вынполненной в виде отражательной металлической гребенки, может считаться одной из ключевых, поскольку изначально и сегодня широко используется в новых антеннах.

Интерес разработчиков к подобным антеннам на протяжении всего пенриода их развития не ослабевал, а в последнее время заметно обострился. Акнтуальность развития теории и техники плоских антенн дифракционного изнлучения обусловлена стремительным освоением коротковолновой части саннтиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн в свянзи с решением проблемы электромагнитной совместимости и повышения пронпускной способности радиоэлектронных средств. Поверхностный характер энергетических процессов и, как следствие, малые тепловые потери позвонляют дифракционным антеннам успешно конкурировать в указанных диапанзонах с высокотехнологичными полосковыми антеннами.

Значительный вклад в разработку и исследование антенн вытекающей волны, использующих явление преобразования поверхностных волн в объемнные, внесли С.Д. Андренко, А.П. Евдокимов, В.В. Крыжановский, С.А. Пронвалов, Ю.Б. Сидоренко, А.Ф. Чаплин, С.А. Шило. Заметный вклад в развитие техники подобных антенн внесли СЕ. Банков, Д.И. Воскресенский, В.В. Гоб-лик, В.М. Голуб, В.И. Калиничев, А.И. Климов, В.А. Комяк, П.Н. Мележик, Ю.Г. Пастернак, Б.А. Пригода, А.Н. Сивов, В.И. Юдин, М. Ando, С.С. Chen, J.A. DeSanto, N. Goto, О. Kenji, I. Koichi, N. Kumagai, M. Matsumoto, T. Ohira, T. Rozzi, K. Sakurai, M. Tsutsumi и др.

Благодаря работам отечественных и зарубежных авторов большие уснпехи достигнуты в области технической реализации излучающего раскрыва антенн и способов его возбуждения, изучения особенностей формирования диаграммы направленности. Однако, несмотря на простоту конструкции класнсической дифракционной антенны, проблема реализации оптимальной геонметрии ее раскрыва актуальна и по сей день. Связано это, прежде всего, с неизбежным проявлением разнообразных резонансных эффектов, сопровонждающих взаимодействие поверхностной волны с гребенкой и существенно осложняющих исследование подобной антенны. Вместе с тем имеется вознможность увеличения эффективности и улучшения характеристик направленнности антенны при использовании модифицированной геометрии раскрыва, например, с профилированной квазипериодической гребенкой.

Отличительной особенностью антенн вытекающей волны является нанличие угло-частотной дисперсии, которая может быть использована как понложительное качество - для сканирования диаграммы направленности понсредством изменения частоты излучаемого сигнала. Однако при необходинмости работы с фиксированным угловым направлением на источник излунчения дисперсия приводит к жесткому ограничению частотной полосы аннтенны. Одним из возможных способов коррекции угло-частотных зависимонстей антенн, содержащих гребенчатые структуры, с целью добиться их частотнной инвариантности является усложнение структуры периода за счет введенния в гребенку дополнительных канавок и уровней вложенности, использонвание многослойных и неэквидистантных гребенок.

Антенны на основе гребенчатых структур, как правило, весьма чувстнвительны к типу поляризации принимаемой волны. Усложнение внутрипе-риодной конфигурации одномерной гребенки, применение двухмерно-пенриодических структур с коммутацией волновых потоков может обеспечить требуемые степени свободы по управлению поляризационными характеринстиками дифракционных антенн.

Одной из тенденций развития антенн СВЧ и КВЧ диапазонов являетнся поиск альтернативы параболическим антеннам. Значительный вклад в разработку плоских отражательных антенных решеток внесли О.Г. Вендик, Г.А. Ерохин, А.О. Касьянов, В.А. Обуховец, М.Д. Парнес, Б.В. Сестрорецкий и др. Актуальным приложением гребенчатых структур является их испольнзование в качестве рефлектора зеркальных антенн, что позволяет уменьшить высоту подвеса облучателя и минимизировать габариты антенны.

Разработка и оптимизация характеристик дифракционных антенн ненразрывно связана с совершенствованием методологии их анализа и синтеза. Несмотря на бурное развитие систем электродинамического моделирования и проектирования антенн и СВЧ (КВЧ) устройств, точный анализ рассматнриваемых антенн, характеризующихся большим электрическим объемом (понрядка 50?50?2??? более), является весьма проблематичным. Действительно, если антенну вытекающей волны с размерами раскрыва 50?50?2?? анализинровать в 3-D электромагнитном симуляторе CST Microwave Studio, то для понлучения достоверных результатов объем ?? следует разбить не менее чем на 503 элементарных "кубиков", каждый из которых (с учетом общности соседнних) описывается 18-ю компонентами поля. Тогда матрица, с которой будет работать симулятор, должна включать свыше 10 млрд комплексных переменнных. Очевидно, что необходимая для анализа установившегося процесса сенрия итераций с такой матрицей не может быть произведена в ограниченный разумными пределами интервал времени на компьютере рядового разработнчика. В этой связи чрезвычайно актуальным является создание электродинанмических моделей, учитывающих специфику открытых излучающих струкнтур, наиболее полно отражающих основные процессы, в них происходящие, и одновременно позволяющих избежать трудностей вычислительного харакнтера, которые возникают при использовании симуляторов.

Проблемам теории резонансных дифракционных структур, в том числе методологии их анализа, посвящено большое количество работ отечественнных и зарубежных авторов. Существенный вклад в ее развитие внесли Л.А. Вайнштейн, А.С. Ильинский, А.А. Кириленко, А.Г. Кюркчан, Л.Н. Литвиненко,

2

С.А. Масалов, Е.И.Нефедов, С.Л. Просвирнин, Ю.К. Сиренко, В.Г. Сологуб, В.П. Шесто палов, В.М. Шкиль и др. Вместе с тем, в теории дифракционных антенн сохраняется ряд нерешенных задач, связанных с: ж созданием пронстых и эффективных электродинамических моделей, адекватно описывающих в области резонансных частот пространственное преобразование класса элекнтромагнитных волн многослойными металлодиэлектрическими гребенчатынми структурами с простой и сложной конфигурациями периода, конечного размера излучающего раскрыва, квазипериодического и неэквидистантного типов; ж параметрическим синтезом дифракционных антенн, использующих гребенчатые структуры простой и модифицированной конфигурации; ж разнработкой эффективных дифракционных антенн с расширенной полосой часнтот, фиксированной ориентацией сектора направлений излучения, поляризанционной инвариантностью.

Таким образом, в настоящее время актуальной является проблема разнработки электродинамических моделей открытых излучающих гребенчатых структур модифицированных конфигураций, обеспечивающих в резонанснном диапазоне частот достоверный анализ пространственного преобразованния волн и синтез на этой основе перспективных оптимизированных констнрукций дифракционных антенн при приемлемых для практики конструиронвания временных затратах и требованиях к вычислительным ресурсам.

Диссертация выполнена на кафедре радиотехники ФГБОУ ВПО "Вонронежский государственный технический университет" в рамках одного из научных направлений университета - "Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты иннформации".

Объектами исследования являются антенны вытекающей волны на основе планарного диэлектрического волновода, электродинамически свянзанного с гребенками различной конфигурации и типа: периодическими с простой и сложной структурами периода, квази- и непериодическими, мнонгослойными; зеркальные антенны с гребенчатым рефлектором.

Предмет исследования - электродинамические модели для анализа и параметрического синтеза гребенчатых структур, предназначенных для реанлизации раскрыва высокоэффективных дифракционных антенн; методики их проектирования; параметры и конструкции дифракционных антенн, оптиминзированных по заданному критерию.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных электродинамических моделей металлодиэлектрических гребенчатых струкнтур различных, в том числе перспективных модифицированных, конфигуранций, обеспечивающих достоверный анализ процессов пространственного преобразования класса волн в резонансной области частот, а также методик параметрического синтеза, оценки характеристик и создания образцов таких структур для реализации СВЧ и КВЧ антенн вытекающей волны и зеркальнных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы ненобходимо решить следующие задачи:

1) разработать электродинамические модели пространственного пренобразования электромагнитных волн резонансных частот гребенчатыми ан-

3

тенными структурами, содержащими планарныи диэлектрический волновод и металлические гребенки различных типов и разных морфологии периода;

1. разработать электродинамическую модель зеркальной антенны с плонским гребенчатым рефлектором, учитывающую произвольные размеры, ханрактер размещения регулярных канавок и вид амплитудно-фазового распренделения поля облучателя по апертуре устройства;
2. провести комплекс численных и экспериментальных исследований электродинамических характеристик антенных гребенчатых структур разнличных конфигураций в диапазоне резонансных частот и определить потеннциальные возможности дифракционных антенн с повышенным уровнем тренбований к их электрическим характеристикам;
3. разработать методики параметрического синтеза и оптимизации аннтенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на оснонве генетических алгоритмов;
4. выявить конструктивные параметры структур для практической реанлизации эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширеннной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения, а также зеркальных широко- и узкополосных антенн с плоским рефлектором и сниженными габаритными размерами;
5. создать базовые варианты конструкций дифракционных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач иснпользованы методы скалярной теории дифракции электромагнитных волн, вычислительные методы электродинамики, элементы теории функций комнплексного переменного, методы теории СВЧ цепей и антенных решеток, эленменты теории радиосигналов, методы линейной алгебры, линейное програмнмирование, генетические алгоритмы, стандартные методы натурных экспенриментальных измерений характеристик СВЧ антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. разработан эффективный электродинамический метод анализа аннтенных одномерно-периодических гребенчатых структур координатного тинпа, существенно различающихся внутрипериодной структурой металличенской гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), основанный на испольнзовании методов частичных областей, разложения Фурье и развитой концепнции "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размернность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами;
2. разработана электродинамическая модель для анализа антенны вынтекающей волны с многослойной периодической структурой, содержащей понмимо гребенки щелевую металлическую решетку, размещенную над струкнтурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, отличаюнщаяся интегрированным учетом всех слоев одновременно, сниженной разнмерностью результирующей СЛАУ и позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва;
3. разработана новая электродинамическая модель для анализа антеннны вытекающей волны с излучающим раскрывом, имитируемым накрытой планарным диэлектрическим волноводом двухмерной структурой в виде коннечной совокупности размещенных в экране прямоугольных канавок, воз-

4

буждаемой заданной неоднородной волной; модель, позволяя учесть краенвые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разнонразмерных канавок и отражение поверхностной волны от гребенки, отличанется от аналогичной по строгости модели сниженными на порядок затратанми времени и ориентирована на широкое использование оптимизационных алгоритмов;

1. предложен вариант метода анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанного на описании поля облучателя совокупностью лонкально-плоских волн, отличающийся от известных использованием решения задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке с канавнками произвольных размеров и характера размещения в раскрыве, независинмостью размерности результирующей СЛАУ от степени сложности амплинтудно-фазового распределения поля волны облучателя, что позволяет значинтельно снизить затраты времени на анализ и широко использовать методики параметрического синтеза;
2. получены новые научные данные об особенностях пространственнного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций, позволившие выработать и апробировать ренкомендации по применению и выявить конструктивные параметры структур для практической реализации антенн вытекающей волны, отличающихся: ж полной эффективностью 60 % и более; ж расширенной до 7 - 9 % относинтельной полосой частот при фиксированном направлении излучения; ж элекнтронным управлением поляризацией излучения;
3. впервые установлено, что в режиме излучения вертикально поляринзованной волны технически выгодный вариант реализации раскрыва антеннны вытекающей волны, при котором зазор между диэлектрическим волновондом и гребенкой отсутствует, а оптимизация амплитудного распределения в раскрыве достигается за счет вариации глубин канавок в направлении вытенкания волны (глубинного профилирования гребенки), характеризуется полнной эффективностью 75 % и более;
4. разработан метод синтеза излучающего раскрыва антенны вытекаюнщей волны в виде профилированной гребенчатой структуры по критерию максимальной эффективности в заданном направлении излучения при обеспенчении заданного уровня боковых лепестков диаграммы направленности, оснонванный на использовании двухэтапной оптимизационной процедуры и эвонлюционирующего критерия, отличающийся учетом влияния гребенки на занмедление волновода, краевых и резонансных эффектов, широтой набора иснкомых параметров и позволяющий достичь среднего значения эффективнонсти до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ.

Новые научные результаты, полученные в диссертации, позволили реншить научную проблему создания электродинамических моделей для достонверного анализа предельно-достижимых характеристик и параметрического синтеза перспективных дифракционных антенн с раскрывом в виде резоннансных гребенчатых структур широкого круга модифицированных конфингураций, обеспечивающих приемлемые для практики проектирования вренменные затраты и требования к вычислительным ресурсам.

5

Практическая значимость результатов, полученных в диссертацинонной работе, заключается в том, что на их основе:

1. разработан вариант прикладного математического аппарата и создан практический комплекс алгоритмов по исследованию и оптимизации динфракционных антенн, построенных на основе металлодиэлектрических однно- и многослойных гребенчатых структур с простой и сложной конфигуранциями периода, конечного размера, квазипериодического, неэквидистантнонго типа, классического вида с двойной периодичностью, позволяющий реанлизовать автоматизированные информационные системы проектирования пондобных антенн на базе пользовательских компьютеров;
2. созданы и апробированы методики проектирования дифракционных антенн на основе гребенчатых структур с оптимизированными по выбраннным критериям характеристиками, позволяющие упростить процесс и сонкратить сроки разработки, улучшить технические и технологические паранметры разрабатываемых антенных систем;
3. разработаны базовые варианты конструкций антенн вытекающей волнны с электронным управлением поляризацией излучения, расширенной понлосой частот, зеркальной антенны со сниженными габаритными размерами.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, базируется на строгих и квазистронгих электродинамических подходах и принципах, корректных математических моделях дифракционных антенн, подтвержденных теоретическими и экспенриментальными исследованиями, и в частных случаях согласованием с рензультатами, опубликованными в научной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертанционной работы использованы в ЗАО "ИРКОС" (г. Москва), ФГУП "НКТБ "Феррит" (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" и НОУ ВПО "Международный институт компьютерных технологий" (г. Воронеж).

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Метод электродинамического анализа антенных структур, содержанщих планарный диэлектрический волновод и периодическую металлическую гребенку, использующий концепцию "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с изнвестными симуляторами. Распространение предложенного метода на анализ широкого круга плоских дифракционных антенн с модифицированной внутри-периодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневонго типов), с двухмерно-периодической гребенкой классического типа.
2. Электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической гребенчатой структурой, содержащей щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или ввенденную внутрь слоистого диэлектрического волновода, позволяющая аналинзировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва.
3. Электродинамическая модель антенны вытекающей волны, основаннная на строгом решении задачи возбуждения одномерной гребенки огранинченной длины заданной неоднородной волной планарного диэлектрического волновода, позволяющая учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ

6

размещения в общем случае разноразмерных канавок, отражение поверхностнной волны от гребенки и обеспечить существенно лучшее качество анализа и синтеза по сравнению с моделями, опирающимися на теорию бесконечных пенриодических структур.

1. Метод анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, осннованный на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн и решении задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке, применение которого позволило оптимизировать конструктивные параметры антенны, обосновать эффективность способа уменьшения толщинны зеркала при снижении высоты подвеса облучателя в 2 - 3 раза.
2. Новые научные данные об особенностях пространственного преобнразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигунраций и модификаций и влиянии их геометрических параметров на электринческие характеристики, позволившие выработать рекомендации по примененнию структур в качестве излучающего раскрыва эффективных антенн вытенкающей волны, в том числе с расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения.
3. Методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гренбенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетинческих алгоритмов, использование которых позволило достичь значений эфнфективности излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде пронфилированной гребенчатой структуры в среднем до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ, минимизировать разницу направнлений излучения волн ортогональных типов поляризации антенной с однонмерной гребенкой и Г-образным профилем канавок.
4. Научно-обоснованные конструктивные особенности построения динфракционных антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с гребенчантым рефлектором, отличающихся улучшенными или специальными харакнтеристиками: расширенной полосой ослабленной угло-частотной чувствинтельности, электронным управлением поляризацией излучения, сниженнынми габаритными размерами.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладыванлись и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международнной научно-технической конференции (НТК) "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1996), международной НТК "Радио- и вонлоконно-оптическая связь, локация и навигация" (Воронеж, 1997), IV- IX и XVII международных НТК "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж, 1998-2003,2011), XXVIII Московской международной конференции по теонрии и технике антенн (Москва, 1998), XIII и XIV НТК с участием зарубежнных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измеренния, контроля и управления" (Судак, 2001,2002), всероссийской НТК "Актунальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2004), международной НТК "Компьютерные технологии в технике и экономике" (Воронеж, 2007), IV и V международных семинарах "Физико-математическое моделирование систем" (Воронеж, 2007, 2008), VI всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) "Современные пробле-

7

мы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 2009), международной научной конференции "Информационные технологии в свянзи, вычислительной технике и энергетике" (Воронеж, 2010), а также на еженгодных НТК профессорско-преподавательского состава, научных работнинков, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 1996-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 научных работ, в том числе 33 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 книги.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце авнтореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,36]-существо метода элекнтродинамического анализа антенных одномерно-периодических гребенчатых структур, рекомендации по применению структур; [9,11,15,35,37,39,40,43,44, 48,52,55,60-64,69,74-77] - постановка задачи, электродинамические модели гребенчатых структур, исследования характеристик; [32,33,45,87] - методинки конструктивного и параметрического синтеза излучающего раскрыва аннтенны и его численная реализация; [3,5,8,24,41,50,58,59,67,68,71] - электрондинамическое моделирование гребенчатого раскрыва антенн; [7,46] - чиснленная оптимизация раскрыва антенны; [4,10,53,54] -моделирование экспенримента, обработка экспериментальных данных и сопоставление с расчетнными; [12,47,49,70,80] - предложения по методике анализа характеристик структуры, обобщение результатов; [13,17,66,73] -расчет конструктивных панраметров антенны; [14,51] -методика расчета параметров рефлектора антеннны; [16,72] - моделирование и разработка конструкции устройства; [25] -анализ результатов моделирования антенны; [26] - участие в разработке конструкции антенны; [6,18,19,21,34,42, 65] - участие в решении дифракцинонной задачи, обсуждение результатов; [31,38] - обсуждение исследования.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 404 наименований и четырех принложений. Основная часть работы изложена на 397 страницах, включает 191 рисунок и 15 таблиц.

Страницы: | 1 | 2 | 3 |

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим наукам