Электродинамические модели резонансных гребенчатых структур для анализа и синтеза высокоэффективных дифракционных антенн Останков, Александр Витальевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Последняя четверть XX-го века отмечена появлением нового направления в технике антенных решеток, связанного с использованием открытых излучающих линий передачи. Применение резонансной дифракционной решетки (с периодом, соизмеримым с длиной волны X₀), обеспечивающей эффект пространственного преобразования поверхностной волны линии в объемную (излучаемую) волну, позволило реализовать конструктивно простые и технологичные дифракционные антенны вытекающей волны. Обладая малой размерной глубиной и высоким КПД, подобные антенны нашли и находят применение в стационарных и мобильных радиоэлектронных комплексах двойного назначения. Электродинамическая структура, состоящая из планарного диэлектрического волновода и решетки, выполненной 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 периода их развития не ослабевал, а в последнее время заметно обострился. Актуальность развития теории и техники плоских антенн дифракционного излучения обусловлена стремительным освоением коротковолновой части сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн в связи с решением проблемы электромагнитной совместимости и повышения пропускной способности радиоэлектронных средств. Поверхностный характер энергетических процессов и, как следствие, малые тепловые потери позволяют дифракционным антеннам успешно конкурировать в указанных диапазонах с высокотехнологичными полосковыми антеннами.

Значительный вклад в разработку и исследование антенн вытекающей волны, использующих явление преобразования поверхностных волн в объемные, внесли С.Д. Андренко, А.П. Евдокимов, В.В. Крыжановский, С.А. Провалов, Ю.Б. Сидоренко, А.Ф. Чаплин, С.А. Шило. Заметный вклад в развитие техники подобных антенн внесли С.Е. 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, M. Ando, СС. Chen, J.A. DeSanto, N. Goto, O. Kenji, I. Koichi, N. Kumagai, M. Matsumoto, T. Ohira, T. Rozzi, K. Sakurai, M. Tsutsumi и др.

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

Отличительной особенностью антенн вытекающей волны является наличие угло-частотной дисперсии, которая может быть использована как положительное качество - для сканирования диаграммы направленности посредством изменения частоты излучаемого сигнала. Однако при необходимости работы с фиксированным угловым направлением на источник излучения дисперсия приводит к жесткому ограничению частотной полосы антенны. Одним из возможных способов коррекции угло-частотных зависимостей антенн, содержащих гребенчатые структуры, с целью добиться их частотной инвариантности является усложнение структуры периода за счет введения в гребенку дополнительных канавок и уровней вложенности, использование многослойных и неэквидистантных гребенок.

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

Одной из тенденций развития антенн СВЧ и КВЧ диапазонов является 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 использование в качестве рефлектора зеркальных антенн, что позволяет уменьшить высоту подвеса облучателя и минимизировать габариты антенны.

Разработка и оптимизация характеристик дифракционных антенн неразрывно связана с совершенствованием методологии их анализа и синтеза. Несмотря на бурное развитие систем электродинамического моделирования и проектирования антенн и СВЧ (КВЧ) устройств, точный анализ рассматриваемых антенн, характеризующихся большим электрическим объемом (порядка 50х50х2Х^и более), является весьма проблематичным. Действительно, если антенну вытекающей волны с размерами раскрыва 50х50х2Х^ анализировать в 3-D электромагнитном симуляторе CST Microwave Studio, то для получения достоверных результатов объем X³ следует разбить не менее чем на 50³ элементарных "кубиков", каждый из которых (с учетом общности соседних) описывается 18-ю компонентами поля. Тогда матрица, с которой будет работать симулятор, должна включать свыше 10 млрд комплексных переменных. Очевидно, что необходимая для анализа установившегося процесса серия итераций с такой матрицей не может быть произведена в ограниченный разумными пределами интервал времени на компьютере рядового разработчика. В этой связи чрезвычайно актуальным является создание электродинамических моделей, учитывающих специфику открытых излучающих структур, наиболее полно отражающих основные процессы, в них происходящие, и одновременно позволяющих избежать трудностей вычислительного характера, которые возникают при использовании симуляторов.

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

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

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

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

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

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

Целью диссертационной работы является разработка эффективных электродинамических моделей металлодиэлектрических гребенчатых структур различных, в том числе перспективных модифицированных, конфигураций, 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 зеркальных антенн с улучшенными и специальными характеристиками.

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

1) разработать электродинамические модели пространственного преобразования электромагнитных волн резонансных частот гребенчатыми антенными структурами, содержащими планарный диэлектрический волновод и металлические гребенки различных типов и разных морфологий периода;

1. разработать электродинамическую модель зеркальной антенны с плоским гребенчатым рефлектором, учитывающую произвольные размеры, характер размещения регулярных канавок и вид амплитудно-фазового распределения поля облучателя по апертуре устройства;

2. провести комплекс численных и экспериментальных исследований электродинамических характеристик антенных гребенчатых структур различных конфигураций в диапазоне резонансных частот и определить потенциальные возможности дифракционных антенн с повышенным уровнем требований к их электрическим характеристикам;

3. разработать методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов;

4. выявить конструктивные параметры структур для практической реализации эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной 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 использованы методы скалярной теории дифракции электромагнитных волн, вычислительные методы электродинамики, элементы теории функций комплексного переменного, методы теории СВЧ цепей и антенных решеток, элементы теории радиосигналов, методы линейной алгебры, линейное программирование, генетические алгоритмы, стандартные методы натурных экспериментальных измерений характеристик СВЧ антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

5. 1. разработан эффективный электродинамический метод анализа антенных одномерно-периодических гребенчатых структур координатного типа, существенно различающихся внутрипериодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), основанный на использовании методов частичных областей, разложения Фурье и развитой концепции "псевдоканавок" и позволяющий на два-три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами;

   2. разработана электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической структурой, содержащей помимо гребенки щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, отличающаяся интегрированным учетом всех слоев одновременно, сниженной размерностью результирующей СЛАУ и позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва;

   3. разработана новая электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с излучающим раскрывом, имитируемым накрытой планарным диэлектрическим волноводом двухмерной структурой в виде конечной совокупности размещенных в экране прямоугольных канавок, возбуждаемой заданной неоднородной волной; модель, позволяя учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок и отражение поверхностной волны от гребенки, отличается от аналогичной по строгости модели сниженными на порядок затратами времени и ориентирована на широкое использование оптимизационных алгоритмов;

   4. предложен вариант метода анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанного на описании поля облучателя совокупностью локально-плоских волн, отличающийся от известных использованием решения задачи дифракции волны с искусственно ограниченным по протяженности плоским фронтом на конечной одномерной металлической гребенке с канавками произвольных размеров и характера размещения в раскрыве, независимостью размерности результирующей СЛАУ от степени сложности амплитудно-фазового распределения поля волны облучателя, что позволяет значительно снизить затраты времени на анализ и широко использовать методики параметрического синтеза;

   5. получены новые научные данные об особенностях пространственного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций, позволившие выработать и апробировать рекомендации по применению и выявить конструктивные параметры структур для практической реализации антенн вытекающей волны, отличающихся: полной эффективностью 60 % и более; расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот при фиксированном направлении излучения; электронным управлением поляризацией излучения;

   6. впервые установлено, что в режиме излучения вертикально поляризованной волны технически выгодный вариант реализации раскрыва антенны вытекающей волны, при котором зазор между диэлектрическим волноводом и гребенкой отсутствует, а оптимизация амплитудного распределения в раскрыве достигается за счет вариации глубин канавок в направлении вытекания волны (глубинного профилирования гребенки), характеризуется полной эффективностью 75 % и более;

   7. разработан метод синтеза излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде профилированной гребенчатой структуры по критерию максимальной эффективности в заданном направлении излучения при обеспечении заданного уровня боковых лепестков диаграммы направленности, основанный на использовании двухэтапной оптимизационной процедуры и эволюционирующего критерия, отличающийся учетом влияния гребенки на замедление волновода, краевых и резонансных эффектов, широтой набора искомых параметров и позволяющий достичь среднего значения эффективности до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ.

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

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

   2. разработан вариант прикладного математического аппарата и создан практический комплекс алгоритмов по исследованию и оптимизации дифракционных антенн, построенных на основе металлодиэлектрических одно- и многослойных гребенчатых структур с простой и сложной конфигурациями периода, конечного размера, квазипериодического, неэквидистантного типа, классического вида с двойной периодичностью, позволяющий реализовать автоматизированные информационные системы проектирования подобных антенн на базе пользовательских компьютеров;

   3. созданы и апробированы методики проектирования дифракционных антенн на основе гребенчатых структур с оптимизированными по выбранным критериям характеристиками, позволяющие упростить процесс и сократить сроки разработки, улучшить технические и технологические параметры разрабатываемых антенных систем;

   4. разработаны базовые варианты конструкций антенн вытекающей волны с электронным управлением поляризацией излучения, расширенной полосой частот, зеркальной антенны со сниженными габаритными размерами.

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

   Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной 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.

   4. 8. Метод электродинамического анализа антенных структур, содержащих планарный диэлектрический волновод и периодическую металлическую гребенку, использующий концепцию "псевдоканавок" и позволяющий на два- три порядка сократить размерность матрицы переменных по сравнению с известными симуляторами. Распространение предложенного метода на анализ широкого круга плоских дифракционных антенн с модифицированной внутри- периодной структурой металлической гребенки (одно-, двух- и трехуровневого типов), с двухмерно-периодической гребенкой классического типа.

      9. Электродинамическая модель для анализа антенны вытекающей волны с многослойной периодической гребенчатой структурой, содержащей щелевую металлическую решетку, размещенную над структурой или введенную внутрь слоистого диэлектрического волновода, позволяющая анализировать широкий ряд частных конфигураций излучающего раскрыва.

      10. Электродинамическая модель антенны вытекающей волны, основанная на строгом решении задачи возбуждения одномерной гребенки ограниченной длины заданной неоднородной волной планарного диэлектрического волновода, позволяющая учесть краевые эффекты, неэквидистантный способ размещения в общем случае разноразмерных канавок, отражение поверхностной волны от гребенки и обеспечить существенно лучшее качество анализа и синтеза по сравнению с моделями, опирающимися на теорию бесконечных периодических структур.

      11. Метод анализа зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, основанный 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 толщины зеркала при снижении высоты подвеса облучателя в 2 - 3 раза.

      12. Новые научные данные об особенностях пространственного преобразования класса волн гребенчатыми структурами разнообразных конфигураций и модификаций и влиянии их геометрических параметров на электрические характеристики, позволившие выработать рекомендации по применению структур в качестве излучающего раскрыва эффективных антенн вытекающей волны, в том числе с расширенной до 7 - 9 % относительной полосой частот, электронным управлением поляризацией излучения.

      13. Методики параметрического синтеза и оптимизации антенных гребенчатых структур по заданным критериям, в том числе на основе генетических алгоритмов, использование которых позволило достичь значений эффективности излучающего раскрыва антенны вытекающей волны в виде профилированной гребенчатой структуры в среднем до 70 % при максимальном уровне бокового излучения "минус" 20 дБ, минимизировать разницу направлений излучения волн ортогональных типов поляризации антенной с одномерной гребенкой и Г-образным профилем канавок.

      14. Научно-обоснованные конструктивные особенности построения дифракционных антенн вытекающей волны и зеркальных антенн с гребенчатым рефлектором, отличающихся улучшенными или специальными характеристиками: расширенной полосой ослабленной угло-частотной чувствительности, электронным управлением поляризацией излучения, сниженными габаритными размерами.

      Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции (НТК) "Направления развития систем и средств радиосвязи" (Воронеж, 1996), международной НТК "Радио- и волоконно-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 теории и технике антенн (Москва, 1998), XIII и XIV НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Судак, 2001, 2002), всероссийской НТК "Актуальные 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 проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 2009), международной научной конференции "Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике" (Воронеж, 2010), а также на ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников, 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 автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,36] - существо метода электродинамического 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] - методики конструктивного и параметрического синтеза излучающего раскрыва антенны и его численная реализация; [3,5,8,24,41,50,58,59,67,68,71] - электродинамическое моделирование гребенчатого раскрыва антенн; [7,46] - численная оптимизация раскрыва антенны; [4,10,53,54] - моделирование эксперимента, обработка экспериментальных данных и сопоставление с расчетными; [12,47,49,70,80] - предложения по методике анализа характеристик структуры, обобщение результатов; [13,17,66,73] - расчет конструктивных параметров антенны; [14,51] - методика расчета параметров рефлектора антенны; [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 дифракционной 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 приложений. Основная часть работы изложена на 397 страницах, включает 191 рисунок и 15 таблиц.

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

      

      Разработка и реализация методик анализа и синтеза антенн специальной подвижной радиосвязи на основе высокодобротных низкопрофильных излучателейПетров Михаил Анатольевич

      

      Фазовый синтез нулей в диаграммах направленности апертурных антенн на основе метода апертурных ортогональных полиномовГнедак Павел Викторович

      

      Методы фазового синтеза глубоких нулей в диаграмме направленности фазированной антенной решётки со случайными искажениями амплитудно-фазового распределенияМаничев, Александр Олегович

      

      Электродинамические модели широкополосных осесимметричных элементов и дискретных структурРазиньков Сергей Николаевич

      

      Исследование и разработка печатных отражательных антенных решеток с использованием модели на основе конечно-бесконечных структурБалландович Святослав Владимирович

      

      Электродинамический анализ резонаторных ускоряющих структурЧетвериков Иван Олегович

      Электродинамический метод анализа многослойных цилиндрических структурМительман, Юрий Евгеньевич

      Анализ излучения антенн в диэлектрических структурах методом поверхностных интегральных уравненийКомаров, Алексей Александрович

      Анализ и оптимизация широкополосных устройств и антенн на основе нерегулярных структур комбинированного типаЛощилов Антон Геннадьевич

      

      Исследования и разработка методик анализа, синтеза и проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазонаТрофимов Алексей Павлович