Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
На правах рукописи
ПРИЛУЦКИЙ АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ МЕТОДЫ ШИРОКОУГОЛЬНОГО СКАНИРОВАНИЯ В СИСТЕМАХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ РАДИОДИАПАЗОНА Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва-2011 г.
Работа выполнена в ОАО Научно-производственный комплекс Научноисследовательский институт дальней радиосвязи, г. Москва.
Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Кравченко Виктор Филиппович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Боголюбов Александр Николаевич заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Мериакри Вячеслав Вячеславович доктор физико-математических наук, профессор Шепелев Андрей Вадимович
Ведущая организация: ФГУП Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина
Защита состоится в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д002.135.01 при Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН по адресу: 117342, г. Москва, ул. Бутлерова, д.15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ УП РАН.
Отзывы, в количестве 2-х экземпляров, заверенные гербовой печатью организации, прошу направлять по адресу:117342, г. Москва, ул. Бутлерова, д.15, ученый секретарь диссертационного совета Д002.135.01.
Автореферат разослан ___ ___________ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д002.135.20кандидат физико-математических наук Е.А. Отливанчик
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 вс 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.
Характеристики излучателей в составе антенной решетки отличаются от характеристик изолированного излучателя из-за наличия взаимных связей между ними и в силу краевых эффектов характеристики существенно зависят от их расположения в антенной решетке. Из-за этих физических явлений при сканировании диаграммой направленности антенны возникает рассогласование в трактах излучателей, вплоть до полного запирания (лослепления) 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 - радиопрозрачное 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 широкоугольности сканирования в широкой полосе частот.
В то же время, конструкция обтекателя, состоящая из диэлектрических слоев и пассивных проводящих проводников, оптимизированная совместно с 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 диапазоне 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 поверхностным импедансом, которое в мировой литературе относят к технологии интеллектуальных покрытий или технологии Smart Skin. В 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 процессов происходящих в интеллектуальных антенных и радиолокационных покрытиях с оптронным управлением, а так же разработка методов их проектирования.
Альтернативой МЭМС-ключам, как элемента 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.
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 счт увеличения информативности полученных результатов зондирования путм развития методов широкоугольного сканирования в приборах ДЗ в рамках ограниченного 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 исследования- 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, установленные в раскрыве антенны, методики их проектирования;
отражательные антенны в виде интеллектуальных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом на основе фотопроводящих полупроводниковых пленок и реконфигурируемых щелевых или полосковых излучателей с фотопроводящими 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 диапазона 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 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-диэлектрикполупроводник (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 полученные 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 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 е 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 новое знания по широкоугольному согласованию сканирующих остронаправленных 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 периодической структуры.
4. Разработаны электродинамические модели сканирующих отражательных антенных решеток в виде интеллектуальных покрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом на основе ПФР пленок и реконфигурируемых щелевых и дипольных излучателей с ПФР СВЧключами.
5. Результаты исследований характеристик 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 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 широкоугольного 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.
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что на их основе:
Предложены 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.
Разработана методика и программы для ЭВМ, позволяющие проектировать многослойные радиопрозрачные антенные обтекатели совместно с волноводной антенной решеткой.
Разработана 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:
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 магнитодиэлектрическим заполнением волноводов в поперечном сечении и с одним или двумя щелевыми экранами в слоях диэлектрика, установленными перед раскрывом, образующие металлодиэлектрическую среду;
Модель ФАР из открытых концов волноводов с частичным магнитодиэлектрическим заполнением в поперечном сечении с многорядной 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 многослойным заполнением;
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.
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 математические методы;
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 НПК 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 научноисследовательских работ и главным конструктором ОКР. Результаты работы используются предприятиями отрасли, в/ч 71330, зарубежной фирмой Component Communications Incorporation (USA), а антенны под 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.
ичный 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, обсуждение и интерпретации полученных результатов; формулировка основных выводов и положений работ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
1. На международных конференциях Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации (ARMIMP2009, 2011), г. Суздаль, Россия, в 2009, 2011гг.
2. На 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. Москвав 2009 г.
4. На международном объединенном Фельдовском и APS, LEOSandMTT/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 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 Всесоюзных научно-технических конференциях Теория и техника антенн, Москва, в 1985, 1987 гг.
10. На семинаре МНТОРЭС им. А.С. Попова Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот, г. Москва в 2009 г.
11. На семинаре кафедры математики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Математические методы в естественных науках, г. Москва в 2007 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в научных работах, в том числе: 12 - научные статьи в журналах, входящих в Перечень Е, 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 результатами экспериментов и актами внедрения. Основная часть диссертационной работы изложена на 291 машинописных страницах текста, в числе которых 1рисунков и 7 таблиц и библиографический список из 122 наименования.
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 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. Показано, 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 диапазоне 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 - SmartSkin. 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 анализа рассматриваемых структур и обоснован выбор метода решения краевой задачи - 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 (рис.1).
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 магнитодиэлектрика (рис.2).
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 Рис.1 - Геометрия общей постановки задачи дипольных излучателях (1).
а) б) в) Рис.2 - Комбинации пассивных устройств а) Щель-щель, б) Щель-диполь, в) Диполь-диполь Общий вид системы ИУ:
Jik (s,s )K1, j(s,s)ds h1(s);
eij (s,s)K1, j(s,s) jk S .......................................................................
(1) i i Jik (s,s )K2, j (s,s )ds 0;
eij (s,s)K1, j (s,s) jk S i 1...I, j 1...J,k 1...K, гдеeij(s,s ), Jik (s,s ) - неизвестные поля и токи в апертуре волноводов, i щелях и диполях или лент в i - ом слое; Kk, j(s,s) - ядра ИУ в спектральном представлении, h1(s) - свободный член, определяется полем источников. 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 y ea ( y, z) (y) emn ( y, z);
mn mn z ea ( y, z) (z) emn ( y, z);
mn mn (2) z eщ ( y, z) ( y) u0m1,0( y, z);
m z je ( y, z) ( y) I0m1,0( y, z), m где весовая функция, учитывающая сингулярное поведение поля у ребра, 2 (y) l y0 (z) zимеет следующий вид,, y 2 z 2 1 13 - для кромки с - для кромки с внешним углом 180 и mn (y, z) внешним углом 90 (условие Мейкснера на ребре). Функции, mn (y, z) mn (y, z), образуют ортогональный базис, описывают гладкую часть поля и имеют следующий вид m n l mn(y, z) sin z cos y .
2 l m l n mn(y, z) sin y cos z ;
(3) l 2 m l n mn(y, z) sin z cos y .
l 2 При решении ИУ методом Галеркина в качестве проекционных функций используются гладкие функции из (2). Найденные из решения emn СЛАУ коэффициенты разложения рядов Фурье emn,, u0m J0m определяют поле в апертуре волновода и в щелях экрана и токов на, полосках и полосковых диполях, и позволяют рассчитать характеристики ФАР - коэффициент отражения и парциальную диаграмму направленности излучателя в составе ФАР.
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 результатов численного моделирования по частным результатам известным из литературы и тестирование алгоритма и программ экспериментально на 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 (рис.3).
Рис.3 - Волноводная ФАР с МДС При моделировании предполагалось, что антенная решетка возбуждается равномерно с прогрессивным набегом фаз. Поля в свободном пространстве над ФАР и поля внутри волноводов однозначно определяются eщ (y, z) полями в торце волноводов ea (y, z) и в щелях экрана. Эти неизвестные электрические поля в торце волновода и в щелевых излучателях экрана определяются из решения системы интегральных уравнений. Система ИУ относительно неизвестных компонент поля в раскрыве волновода и в щелевых излучателях в экране получается из условия непрерывности векторов магнитного поля при переходе через апертуру волноводного излучателя и апертуры щелей в экране:
( ( Hi) He,1) 0, Sa (4) (e,1) H H(e,2) S, y y j Sa S где - поверхность апертуры волновода, - поверхность j-ой щели в j экране.
Система интегральных уравнений:
y(s)K(1,1)(s,s)ds ea(s)K(1,2)(s,s)ds eщ(s)K(1,3)(s,s)dsj H10(s);
z b eaz Sa Sa j S y(s)K(2,1)(s,s)ds ea(s)K(2,2)(s,s)ds eщ(s)K(2,3)(s,s)dsj 0;
eazz (5) Sa Sa j S y(s)K(3,1)(s,s)ds ea(s)K(3,2)(s,s)ds eщ(s)K(3,3)(s,s)dsj 0, z eaz S SS j jj , где K( pq) (s, s )- ядра ИУ:
(1,1) (1) y y K (s, s ) F f (s) f (s ) (1,2) (2),(3) y z mn m n mn mn mn ab K (s, s ) mnmnFmn fmn (s) fmn(s ) m 0 n m0nab (1) (2),(3) (s) (s ), mn mn mn mn mn (s)mn(s ), Td m n m n Td (6) (2,2) (4) z z 1 K (s, s ) mnmnFmn fmn (s) fmn (s ) (2,1) (2),(3) y z K (s, s ) mnmnFmn fmn (s) fmn (s ) m0 nab m0 nab (4) (2),(3) mnmn (s)mn (s ).
m n mn mn (s)mn (s ), Td m n Td Полученная таким образом система ИУ 1-го рода редуцируется к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно неизвестных коэффициентов разложения поля по базисным функциям вида (1) с использованием метода Галеркина.
Рис.4 - Геометрия задачи Рис.Рассмотрен частный случай, когда экран со щелями гальванически примыкает к торцам волноводов (рис.4). На рис.5 приведены диапазонные свойства однощелевого (кривая 1) и двущелевого излучателя (кривая 3), в сравнение с открытым концом волновода (кривая 2). Параметры геометрии антенной решетки: axb=0,4150,415, Txd=0,450,45, r=2,5, l=0,415, =0,1, z0=0,07. На рис. 6,7 в качестве примера показана возможность согласования ФАР из двущелевых излучателей с помощью тонкого диэлектрического листа с высокой диэлектрической проницаемостью укр= в полосе частот и в секторе углов сканирования. Геометрия ФАР:
ab=0,4150,415, Td=0,450,45, l=0,415, =0,1, Z0=0,055, =2,5, укр=9,0.
Показано, что ФАР из сдвоенных щелевых излучателей в торцах волноводов имеет диапазонные свойства, как у открытого конца волновода, но имеет преимущества в широкоугольности. При сканировании в конусе с углом при вершине 120 Рис.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%.
а) б) в) f f0 1,0 f f0 1,2 f f0 0,Рис.7 - Картографические проекции коэффициента отражения при сканировании в диапазоне частот (пунктир - конус 120) Проведено исследование влияния геометрических параметров щелевых экранов, установленных перед раскрывом волноводной ФАР на широкоугольное широкополосное согласование. В частности, на рис.7, приведены характеристики ФАР со следующими параметрами: Td = 0,55 0,48, ab= 0,514 0,4. На каждый волновод приходится сдвоенный щелевой излучатель в экране с параметрами: l = 0,514, = 0,15, z0 = 0,1.
Рис.8 - Зависимость коэффициента Рис. 9 - Характеристики согласования ФАР отражения от высоты установки экрана h с щелевым экраном в диапазоне частот На рис. 8 приведена зависимость от высоты h. Из графика видно, что оптимальное расстояние h, при котором минимальный коэффициент отражения, равно ~4. Кривая 3 соответствует ФАР с треугольной сеткой размещения излучателей: Td = 0,588 0,588, a b = 0,542 0,294, = 60, = 0,1, l = 0,542, z0 = 0,1, диэлектрическое заполнение волноводов с r=1,1. Минимум коэффициента отражения достигается на расстоянии h = 0,3. На рис.9 приведены графики модуля коэффициента отражения в диапазоне частот. Параметры ФАР следующие: a b = 0,35 0,33, Td = 0,353 0,353, параметры щелей в экране: l = 0,35, h = 0,25, = 0,05, z0 = 0,05. Кривая 1- диэлектрическому заполнению волноводов ФАР с r=2,0, а кривая 2 -r=2,2.
а) б) Рис.10 - Сравнения характеристик ФАР с компенсирующим экраном (кривая 1) и волноводной АР (кривая 2) в секторе углов сканирования, (а)- модуль коэффициента отражения, (б)- парциальная ДН Для графиков на рис.10 ФАР имеет следующие параметры: a b = 0,514 0,42, Td = 0,55 0,467, диэлектрическое заполнение волновода r =1,0. На рис.10а и 10б приведено сравнение характеристик согласования ФАР и ПДН для антенной решетки из открытых концов волноводов (кривая 2) и антенной решетки (кривая 1). Перед раскрывом решетки на расстоянии 4 установлен щелевой экран со сдвоенными щелевыми излучателями с параметрами: l= 0,514, = 0,15, z0 = 0,1. ФАР из открытых концов прямоугольных волноводов эффективно согласуется, как при излучении по нормали, так и при наклонном излучении в широком секторе углов, выбором оптимальных размеров щелей в экране и расстоянием от экрана до раскрыва ФАР. Согласование ФАР с помощью щелевых экранов в секторе углов имеет преимущество по сравнению с использованием для согласования диэлектрических слоев, так 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 проводников.
Рис.11 - Геометрия задачи Шаг подрешетки из проводников совпадает с шагом волноводной ФАР.
Волноводы имеют частичное диэлектрическое заполнение и равномерно возбуждаются волнами типа Н10 с прогрессивным набегом фазы. Геометрия задачи показана на рис.11. Система уравнений для определения поля в апертуре волновода e(y) и амплитуды токов I0i проводниках получается из граничных условий для тангенциальных компонент полного электрического поля на проводах x hi ( ( EZe) EZi) (7) i и условия непрерывности тангенциальных компонент полного магнитного поля в раскрыве волноводов (8) 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 ИУ (8).
(9) где ядра ИУ:
;
Проведено подробное исследование характеристик антенной решетки и определены предельные возможности по широкоугольному согласованию и рабочей полосе частот. В частности, на рис.12, 13 представлены результаты моделирования для АР, как с частично-заполненными диэлектриком волноводов, так и полностью. Параметры решетки следующие: рис.12 толщина вставки, рис.13 - Рис.12 - Согласование АР из частично Рис.13 - Согласование АР из полностью заполненных диэлектриком волноводов заполненных диэлектриком волноводов параметры подрешетки проводов: =0,02, параметры подрешетки проводов: =0,02, y0=d/2 y0=d/Из графиков видно, что АР из частично-заполненных диэлектриком волноводов имеет более широкий сектор сканирования. Подрешетка из цилиндрических проводников позволяет за счет выбора геометрии согласовать плотную АР (шаг решетки < /2) на требуемых углах отклонения ДН.
Показано, что использование однорядных и двурядных 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. Целесообразным является 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. Использование диэлектрических вставок для частичного заполнения поперечного сечения волновода расширяет возможности по использованию диэлектриков при согласовании волноводных АР.
В пятом разделе на основе метода частичных областей и метода ИУ разработана математическая модель и исследованы характеристики многослойной металлодиэлектрической среды, состоящей из чередующихся диэлектрических слоев и ленточных проводников и (или) полосковых диполей, выполненных печатным способом. Геометрия задачи изображена на рис.14. Практический интерес представляет сетка из ленточных полосков, ширина которых много меньше длины волны, а толщина пренебрежимо мала.
Вектор плотности тока, текущего по полоскам, можно считать однокомпонентным:
J iz Jz, а распределение плотности тока поперек полосок квазистатическим, резонансному диполю соответствует вторая формула J0eikzsin Jz (y, z) , y y s J0 sin (z z0 ) (10) s Jz (y, z) .
y y Задача сформулирована в виде системы интегральных уравнений Рис.14 - Геометрия задачи 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 металлодиэлектрической среды на электродинамические характеристики ФАР при сканировании. Исследовано поведение модуля коэффициента отражения при сканировании для различной геометрии подрешетки из полосковых элементов (положение относительно центров волноводов, высоты установки и ширины полоскового элемента, влияние свойств магнитодиэлектрической подложки). На рис.15 представлены зависимости модуля коэффициента отражения |ms| от смещения подрешетки из полосок относительно центра волновода и расстояния от сетки до плоскости ФАР.
yОптимальным смещением с точки зрения наилучшей развязки между излучателями является смещение равное половине периода решетки в Нплоскости, т.е. полоски располагаются между волноводами. Из рисунка видно, что выбором расстояния от полосок до ФАР можно улучшить согласование, как при излучении по нормали, так и при отклонении луча от нормали. Параметры ФАР: аb=0,5140,22, Td=0,550,55, торцевая щель l=0,5140,1, ширина полоска =0,05.
Рис.На рис.16, 17 приведены характеристики согласования для диэлектрической подложки с 1=1,2, 1=1,5. Отмечается расширение сектора сканирования по уровню |ms|=0,7 (по половинному уровню мощности) до 75-80. Дальнейшее увеличение магнитной проницаемости приводит к возбуждению в подложке поверхностных волн, и как следствие, к запиранию ФАР на углах существенно меньших, чем углы возникновения дополнительных интерференционных максимумов ДН. Таким образом, разработана математическая модель и исследованы характеристики ФАР из открытых концов волноводов с подрешеткой из полосковых элементов в слоях магнитодиэлектрика, установленной перед апертурой:
Использование подрешетки из ленточных элементов перед апертурой ФАР совместно с диэлектрическими вставками внутри волноводов улучшает характеристики ФАР при сканировании;
Наилучшего согласования ФАР Рис.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 Рис.включать в состав РПУ.
Предложенный метод улучшения согласования ФАР с электронным сканированием может быть использован при проектировании антенн сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.
В разделе на электродинамической модели исследована возможность широкоугольного согласования волноводной ФАР при помощи предложенных комбинаций пассивных элементов рис.18. Показано, что установка в апертуре антенны подрешетки проводников цилиндрических или ленточных на определенном расстоянии h 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.
На рис.19 приведены расчеты коэффициентов Рис.18 - Геометрия задачи взаимной (амплитуда и фаза) связи в АР со следующей геометрией: a=0,48, d=0,5, =1,(диэлектрическое заполнение волноводов), =0,025, h=0,22, y0=d/(параметры подрешетки проводников). На графике - амплитуда коэффициентов взаимной связи АР без компенсационных проводников, а - амплитуда коэффициентов взаимной связи АР с компенсационными проводниками.
0.2110.1arg Cp Cp 0.Csp 180 0 2 4 6 8 arg Csp 0.1 1 10 2 4 6 8 2p p Рис.19 - Модуль и фаза коэффициентов взаимной связи в АР с пассивными проводниками (пунктир кривая) и без них (сплошная кривая) Установка в апертуре антенной решетки, наряду с активными элементами, пассивных волноводных элементов в каждой периодической ячейке (дроссель или волноводный элемент, нагруженный на характеристическое сопротивление) не улучшает существенно согласование при сканировании, но обеспечивает более быстрое убывание коэффициентов взаимной связи в АР (рис.20). Тем самым создает условия для постоянства входного сопротивления излучателя в секторе углов сканирования. Для примера, на рис.21,22 приведены характеристики согласования АР с дросселем с параметрами: b1=0,25, b2=0,25,d=0,5 (рис.21), d=0,5 (рис.22), a=(b1+b2)/2. Сплошная кривая принадлежит решетке с тонкими стенками, пунктирная кривая АР с толстыми стенками и дросселем глубиной 0,4.
1 На рис.22 приведены характеристики при 0.C0m сканировании для h=0,3, из CDm 0.01 графика видно, что компенсируется всплеск 1100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 коэффициента отражения в m Рис.20 - Модуль коэффициента взаимных момент появления связей АР с дроссельными элементами дифракционного лепестка. В этом, как раз и заключается положительный эффект от применения дроссельных элементов в раскрыве ФАР.
0.0.0.8 0.0.7 0.0.6 0.0() 0() 0.5 0.( 0.4) ( 0.3) 0.4 0.0.3 0.0.2 0.0.1 0. 90 70 50 30 10 10 30 50 70 90 90 70 50 30 10 10 30 50 70 11 Рис.21 - Модуль коэффициента отражения Рис.22 - Модуль коэффициента АР с дросселем в раскрыве при шаге решетки отражения АР с дросселем в раскрыве 0,5 при шаге решетки 0,5 Показано, что для решения задачи широкоугольного согласования необходимо использовать комбинацию разных пассивных элементов в апертуре АР из открытых концов волноводов, таких как, например волноводные дроссели и пассивные проводники или диполи, установленные параллельно Е-плоскости волноводов. Варианты ячейки Флоке комбинированных пассивных элементов компенсации входного импеданса волноводной ФАР представлены на рис.23. Вариант а) - дроссель и цилиндрический проводник, б) - тонкие перегородки и цилиндрический проводник, в) - щель в перегородке.
а) б) в) Рис.23 - Варианты комбинаций пассивных элементов В качестве примера на рис.24 приведены характеристики согласования антенной решетки из открытых концов волноводов в полосе частот 6,9Е7,9 ГГц для углов сканирования ДН - 0, 30,40, 50, 60 в Е и Нплоскости. Параметры решетки: ab=0,5140,3, Td=0,550,5, =1,0.
а) б) Рис.24 - Решетка из открытых концов волноводов На рис.25, 26 представлены картографические проекции коэффициента отражения при согласовании антенных решеток с помощью пассивных элементов, представленные в координатах частота-угол сканирования для Н -,Е- плоскости. Из анализа графиков очевидна эффективность способа согласования волноводной антенной решетки при широкоугольном сканировании с помощью комбинации пассивных элементов дроссель и цилиндрический проводник.
а) б) Рис.25 - Вариант решетки 20б а) б) Рис.26 - Вариант решетки 20а Применение дроссельного элемента позволяет обеспечить слабую зависимость изменения входного импеданса в секторе углов сканирования в Е-плоскости, цилиндрический проводник позволяет занизить кривую согласования со значения модуля коэффициента отражения 0,56 до 0,2 и обеспечить согласование при сканировании в Н-плоскости. При этом, пассивные устройства не вызывают резонансов в секторе сканирования, в отличие от согласования с помощью диэлектриков.
В шестом разделе рассматриваются вопросы электродинамического моделирования характеристик сканирующих отражательных антенных решеток на базе интеллектуальных радиопокрытий с оптронным управлением поверхностным импедансом. Предложены следующие варианты интеллектуальных радиопокрытий с оптронным управлением для построения сканирующих отражательных антенн и радиолокационных радиопокрытий:
слоистая структура, состоящая из чередующихся слоев диэлектрика и полупроводниковых пленок на металлической подложке (рис.27); ребристая поверхность с тем же слоистым заполнением; решетка из реконфигурируемых щелей или диполей над проводящим экраном с оптронными кремниевыми СВЧ-ключами (рис.28), при чем в каждом периоде решетки могут быть одна, две и более щелей (диполей). Получена математическая модель отражения плоской электромагнитной волны от среды, состоящей из чередующихся диэлектрических и полупроводниковых слоев на металлической подложке. Модель основана на строгом решении электродинамической задачи для наклонного падения Е- и Н-волн на бесконечную плоскую структуру. Показано, что при фазовом переходе полупроводника (диэлектрик-металл) под внешним оптическим воздействием модуль и фаза отраженной волны изменяется. Приводятся результаты численного моделирования наклонного падения Е- и Н-волны на многослойную структуру.
Рис.27 Рис.Показано, что модуль и фаза отраженной волны зависят от электрических и геометрических параметров многослойной среды. Получены математические модели для структур рис.27,28. Приведены зависимости изменения фазы отраженной волны от этих структур при фазовом переходе полупроводника диэлектрик-металл при разных наклонах падающей волны Е и Нполяризации. В качестве примера на рис.29 приведены фазовые характеристики трехслойной среды (рис.27) в зависимости от состояний полупроводниковых пленок в слоях структуры.
Рис.29 - Фаза и модуль коэффициента отражения в зависимости от проводимости каждой из полупроводниковых пленок, толщиной 400 нм, параметры диэлектрических слоев =2, h=0,06 а) h=0,25 б) h=0,1 в) h=0,25 г) h=0,1 Рис.30 - Зависимость фазы коэффициента отражения от длины щели при различных углах падения локально плоской волны - а), б) - Е-поляризации,в), г) - Н-поляризации На рис.30 представлены фазовые характеристики отражательной структуры из реконфигурируемых щелевых излучателей, на рис.31 представлены зависимости амплитуды и фазы коэффициента отражения локально плоской волны в зависимости от значения фотопроводимости кремневого ключа для различной толщины полупроводниковой пленки ключа (фоторезистора).
б) а) Рис.31 - Зависимость фазы а) и модуля б) коэффициента отражения от проводимости материала оптронных СВЧ-ключей при разных значениях их высот hп, ширина щелей:
= 0,05 = 1,5 мм Рабочий диапазон изменения фотопроводности от темнового до освещенного состояния лежит в пределах от 2 см/м до 300 см/м при толщине пленки 100 мкм, что является приемлемым для изготовления СВЧ-ключей.
Рис.32 - Геометрия отражательной антенны Проведено моделирование внешних характеристик сканирующей ОАР конфигурации рис.32 гибридным методом - комбинации строгого решения для отражения локальной плоской волны от поверхности и метода геометрической теории дифракции в приближении Кирхгофа. Исследованы характеристики, как планарной антенны (рис.33), так и конформной антенны на примере антенны с цилиндрическим рефлектором (рис.34) при облучении цилиндрической волной Е-, Н-поляризации.
Рис.33 Рис. По результатам математического моделирования отмечено, что в планарной конструкции отражательной антенны сектор сканирования составляет 60 по уровню минус 9 дБ, что на 3 дБ меньше, чем в идеализированной отражательной АР. В цилиндрической конструкции коэффициент усиления при сканировании практически не изменяется. В разделе даны рекомендации по проектированию и конструированию сканирующих в широком секторе углов отражательных антенн с интеллектуальным радиопокрытием.
В разделе проведена оценка необходимой средней и пиковой мощности оптического облучения кремниевых ПФР СВЧ-ключей для создания необходимой концентрации свободных носителей в фоторезистивном слое ключей при этом использовалась модель электронно-дырочной плазмы полупроводника. Показано, что использование дискретных оптронных элементов - ПФР СВЧ-ключей более экономично с точки зрения необходимой оптической мощности, чем использование распределенных структур типа рис.27.
На примере плоской ОАР из реконфигурируемых сдвоенных щелевых излучателей - фазовращателей показана возможность сканирования в широком секторе углов (рис.35).
-----23 дБ --откл=0 -откл=10 -откл=20 -откл=30 --90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 , град Рис.В заключении сформулированы основные полученные результаты и ОАР F ( ), дБ выводы по диссертационной работе. Показаны направления дальнейших исследований для создания практических конструкций сканирующих широкоугольных антенн СВЧ и КВЧ диапазонов.
В приложениях приведены методики вычисления поляризационных парциальных диаграмм направленности, вывод волновых матриц передачи многослойных магнитодиэлектрических структур, результаты экспериментальных исследований характеристик волноводной АР с щелевыми экранами и РПУ и характеристик щелевого элемента ОАР в волноводном имитаторе, результаты внедрения диссертационной работы в практические конструкции антенн, разработанных лично автором и совместно с руководимым им коллективом.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Результатом диссертационного исследования является разработка методов широкоугольного согласования ФАР и ОАР с электронным и оптоэлектронным сканированием в приборах ДЗ радиодиапазона электромагнитных волн.
1. Сформулирован и обоснован выбор электродинамических моделей, необходимых для решения ряда практически важных и актуальных задач, связанных с созданием многоэлементных волноводных фазированных антенных решеток и методов их широкоугольного согласования, и отдельного класса антенн - сканирующих реконфигурируемых отражательных антенных решеток с оптронным управлением поверхностным импедансом покрытия рефлектора для приборов ДЗ радиодиапазона ЭМВ.
2. Решены трехмерные и двумерные электродинамические задачи, необходимые для разработки выбранных моделей. Их особенность Ч адекватный учет влияния конструкционных элементов - компенсаторов изменения входного импеданса ФАР при широкоугольном сканировании и элементов интеллектуальных покрытий рефлекторов сканирующих отражательных антенн, а также ограничений, обусловленных вычислительной техникой, используемой для их реализации, при максимальном сохранении строгости постановки задачи и обеспечении достаточной для практики точности результатов. Построены модели следующих многоэлементных фазированных и отражательных антенных решеток с пассивными согласующими элементами, установленные в раскрыве ФАР: фазированная антенная решетка открытых концов прямоугольных волноводов с многослойными магнитодиэлектрическими трансформаторами внутри волноводов, многослойным диэлектрическим укрытием и резонансной диафрагмой в раскрыве волноводов, в том числе многощелевым излучателем в торце волновода; многоэлементных фазированных 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;сканирующих отражательных антенных решеток в виде интеллектуальных покрытий с оптронным и электронным управлением поверхностным импедансом на основе фотопроводящих полупроводниковых пленок и реконфигурируемых щелевых и дипольных излучателей с фотопроводящими полупроводниковыми СВЧ-ключами (фоторезисторами).
3. Для решения модельных задач использован единый подход на основе метода интегральных уравнений, как наиболее универсальной и надежной базы численных алгоритмов прикладной электродинамики, а так же методы геометрической теории дифракции в приближении Кирхгофа для теоретического анализа внешних характеристик сканирующих отражательных антенн. Для формулировки математической задачи в виде системы ИУ 1-го рода доказано существование и единственность решения.
Обоснован выбор базисных и проекционных функций при численном решении систем ИУ.
4. Создан комплекс программного обеспечения для ЭВМ, в котором реализованы разработанные расчетные модели, методики и вычислительные алгоритмы для всех поставленных электродинамических задач.
5. С использованием разработанных моделей проведены обширные расчеты и исследованы закономерности формирования электромагнитных полей в многоэлементных фазированных антенных рештках из открытых концов волноводов и в пассивных устройствах компенсации изменения входных импедансов, вследствие влияния межэлементных связей. Получены новые научные результаты об особенностях рассеяния электромагнитных волн на реконфигурируемых ОАР с оптронным управлением поверхностным импедансом. Исследованы фокусирующие свойства плоских и конформных рефлекторов отражательных антенн на основе слоистых структур полупроводниковая пленка-диэлектрик, ребристая структура со слоистым заполнением структурой полупроводниковая пленка-диэлектрик, а также рефлектора из реконфигурируемых щелей и диполей. Выработаны рекомендации по конструированию данного класса антенн, в том числе определены требования к полупроводниковым элементам конструкции реконфигурируемых антенн.
6. Проведены экспериментальные исследования на конечном фрагменте антенной решетки способов широкоугольного согласования с помощью щелевых компенсационных экранов, а также влияния конструкции радиопрозрачного укрытия на характеристики ФАР.
7. Проведены экспериментальные исследования на волноводном имитаторе характеристик рассеяния многощелевого излучателя ОАР.
8. На основе проведенных численных и экспериментальных исследований предложены новые научно обоснованные технические решения в области создания многоэлементных фазированных антенных решеток из щелевых излучателей в торце волноводов с низким уровнем кроссполяризации и сканирующих реконфигурируемых отражательных антенн с оптронным управлением, включающие в себя:
Эффективные конструктивные решения комбинированных пассивных устройств компенсации влияния взаимных связей в ФАР, устанавливаемых в раскрыве антенны;
Конструктивное решение по использованию сдвоенных и строенных щелевых и дипольных излучателей в каждом периоде фазированной и отражательной антенной решетки для широкополосного и широкоугольного сканирования с чистой линейной поляризацией для ФАР и для обеспечения более пологих фазовых кривых для реконфигурируемых рефлекторов сканирующих отражательных антенн;
Конструктивное решение реконфигурируемого рефлектора отражательной антенны на основе многослойной структуры тонких полупроводниковых пленок с фоторезистивным эффектом и диэлектриков.
Таким образом, разработаны теоретические положения, совокупность которых можно классифицировать как крупное достижение в развитии перспективного направления в области антенн СВЧ и КВЧЦдиапазонов для уникальных радиофизических приборов дистанционного зондирования, использующих принципы электронного и оптоэлектронного сканирования в широком пространственном секторе.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий, рекомендованных ВАК 1. Прилуцкий А.А. Моделирование передачи изображений видовых средств дистанционного зондирования Земли по цифровым каналам связи / А.А. Прилуцкий, А.Н. Детков, И.А. Макаров, И.В. Козлов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2010. Ц№ 1.Ц С. 4 - 8.
2. Прилуцкий А.А. Реконфигурируемые антенные системы: Обзор// Физические основы приборостроения, Международный журнал РАН. - (В редакции).
3. Прилуцкий А.А. Сканирующая отражательная антенна с импедансным цилиндрическим рефлектором в виде слоистой структуры полупроводникдиэлектрик-металл с оптронным управлением // Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 4.Ц С.53 Ц59.
4. Прилуцкий А.А. Взаимодействие СВЧ-излучения с многослойными металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) структурами // Успехи современной радиоэлектроники. - 2009. - № 9.Ц С. 74 - 80.
5. Прилуцкий А.А. Использование подрешетки из полосковых элементов в слоях магнитодиэлектрика перед апертурой ФАР для улучшения согласования при сканировании // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2009. - № 9. - С. 62 - 72.
6. Прилуцкий А.А. Метод моделирования поляризационных портретов малоразмерных искусственных объектов радиолокации/ А.А. Прилуцкий, А.Н Детков, Д.А. Ницак //Электромагнитные волны и электронные системы.
Ц 2011. ЦТ.16.- № 10. - С. 19 - 26.
7. Прилуцкий А.А. Использование авиационной поляриметрической РСА для обнаружения спускаемого аппарата проекта Фобос-Грунт на фоне земной поверхности/ Родин А.Л., А.А. Прилуцкий, А.Н Детков, Д.А. Ницак// Вестник ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина. - 2011. - № 4. - С. 50 - 57.
8. Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3-го поколения// Антенны. - 2005. - Вып. 10. - С. 52 - 54.
9. Прилуцкий А.А. Компенсация фазовых шумов на синхронном детекторе / А.С. Петров, А.А. Прилуцкий, О.А. Залевский // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2008. - № 11. - С. 49 - 53.
10. Прилуцкий А.А. Двухдиапазонные многолучевые приемопередающие ФАР для систем сотовой связи 3-го поколения / Н.А. Бей, А.А. Прилуцкий // Антенны. - 2005. - Вып. 10. - С. 48 - 51.
11. Прилуцкий А.А. Антенные решетки из щелевых излучателей в торцах прямоугольных волноводов / Г.А. Евстропов, А.А. Прилуцкий // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 1988. - № 10. - С. 49 - 52.
12. Прилуцкий А.А. Излучение волноводной антенной решетки с пассивными компенсационными проводами в случае Н-поляризации / Г.А.
Евстропов, А.А. Прилуцкий // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 1989. - № 2. - С. 1270-1273.
Патенты и статьи в научных журналах 13. Авт. свидетельство 1561134 (СССР), МКИ4 (51)5 H 01 Q 3/26, 21/00/ Фазированная антенная решетка [Текст] / Г.А. Евстропов, А.А. Прилуцкий;
заявл. 03.01.1990; опубл. 30.04.90, Бюл. изобр. №16.
14. Прилуцкий А.А. Моделирование характеристик элемента сканирующей отражательной антенной решетки из щелевых излучателей / М.А. Жексенов, А.А. Прилуцкий, Е.А. Шепелева // Научный вестник Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики. - 2011. - № 4.Ц С. 44 - 51.
15. Прилуцкий А.А. Моделирование поляризационного радиолокационного портрета спускаемого аппарата проекта Фобос-Грунт / А.А. Прилуцкий, А.Н Детков, Д.А. Ницак // Научный вестник Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики. - 2011. - № 4.Ц С. 52 - 59.
16. Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3G // Connect- Мир Связи. - 2004. - № 5.Ц 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.Ц 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. - № 1.Ц С. 91 - 101.
19. Прилуцкий А.А. Исследование характеристик ФАР с треугольной формой раскрыва/ С.Н. Антонов, А.А. Прилуцкий // Вопросы специальной электроники. Серия ТТА. - 1983. - № 1.Ц 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:
http/www. connect.ru.
21. Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3G // CONNECT! Мир связи. - 2004. - № 5. - С. 88-89/ URL: http/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 (PIERS 2009), Moscow, Russia, August 18-21, 2009, The Electromagnetics Academy, Cambridge, Massachusetts, USA, Draft abstracts.- PP. 166-166.
24. Andrey 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. Шепелва // Труды 4-ей Международной конференция Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации (ARMIMP2009).-Суздаль.- 20-22 сентября.-2011.-С. 116-120.
27. Прилуцкий А.А. Волноводное моделирование реконфигурируемого щелевого элемента сканирующей отражательной антенной решетки с оптронным управлением/ М.А. Жексенов, Е.А. Шепелва // Труды 4-ей Международной конференция Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации (ARMIMP-2009).- Суздаль.- 2022 сентября.-2011.-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.
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 А.А. 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 А.А. Широкоугольная ФАР, сформированная из открытых концов волноводов с многослойной металлодиэлектрической средой (МДС) перед апертурой// Доклад на Объединенном Фельдовском APS, LEOS and MTT/ED Chapters in Russia Section, ИРЭ РАН, Москва, -3 марта, 2009.
32. Прилуцкий А.А. Сканирующая реконфигурируемая отражательная антенная решетка из щелевых излучателей/ А.А. Прилуцкий, Е.А. Шепелва // Труды IV Всероссийской конференции Радиолокация и радиосвязь, Москва, 29 ноя. -3 дек. 2010. - М.: ИРЭ РАН. - 2010. - С. 353-360.
33. Прилуцкий А.А. 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, 2324 января 2009. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова. - 2009.
34. Прилуцкий А.А. Комплекс программ для расчета электродинамических характеристик ФАР из щелевых излучателей в торцах волноводов/ Г.А.
Евстропов, А.А. Прилуцкий // Труды Межрегиональной научно-технической конференции Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования, Ленинград, 23-24 января 1991. - Л.: ВНТОРЭС им. А.С. Попова. - 1991. - С. 17-26.
35. Прилуцкий А.А. 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. А.С. Попова. - 1991. - С. 184-185.
36. Прилуцкий А.А. 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 А.А. Радиолокаторы непрерывного излучения в виде кластеров микро-КА - новое качество в развитии глобальных инфокоммуникационных систем / В.А. Басистов, А.А. Прилуцкий, В.Д.
Кусков, Б.С. Лобанов, В.Ф. Фатеев // Труды Всероссийской научнопрактической конференция Космической радиолокация, Муром, 28 июняЦ 1 июля 2010. - Владимир: Изд-во ВГУ. - 2010. - С. 31-34.
Депонированные рукописи 38. Прилуцкий А.А. Метод вычисления парциальной диаграммы направленности элемента бесконечной антенной решетки / А.А. Прилуцкий;
НИИДАР. - М.; ВИМИ, 1988, Вып. №5. - 11 с. - Деп. в НИИЭР 13.6.1988, № 3-8370.
39. Прилуцкий А.А. Исследование граничных интегральных уравнений задачи излучения электромагнитной волны Е-поляризации из периодической структуры полубесконечных волноводов / А.А. Прилуцкий; НИИДАР. - М.;
ВИМИ, 1989, Вып.№2 - 9 с. - Деп. в НИИЭР 10.8.1989, № 3-8551.
40. Прилуцкий А.А. Исследование влияния атмосферных осадков на параметры радиопрозрачного укрытия / А.А. Прилуцкий; НИИДАР. - М.;ВИМИ, 1991, Вып. №2 - 4 с. - Деп. в НИИЭР 13.6.1991, № 3-8834.
41. Прилуцкий А.А. Электродинамическая модель антенной решетки из щелевых излучателей в торце волноводов/ Г.А. Евстропов, А.А. Прилуцкий;
НИИДАР. - М.; ВИМИ, 1988, Вып. №9 - 15 с. - Деп. в НИИЭР 16.9.1988, № 3-8468.
42. Прилуцкий А.А. Расширение углового сектора сканирования ФАР при помощи пассивных элементов, устанавливаемых в раскрыве решетки/ Г.А.
Евстропов, А.А. Прилуцкий, С.И. Монаков; НИИДАР. - М.; ВИМИ, 1990.
Вып. №10 - 12 с. - Деп. в НИИЭР 13.6.1988, № 3-8793.
43. Прилуцкий А.А. Характеристики волноводной ФАР с многослойным РПУ/ А.А. Прилуцкий; НИИДАР. - М.; 1988. - 3 с. - НИИЭИР, 1988, Серия РС-АН, №11, Деп. в ВИМИ № Г92840.88.РТ.08.47.45.