Введение к работе
Актуальность темы исследования. Директорные антенны (ДА) являются базовыми излучающими модулями многоэлементных антенных систем (АС) в области техники сверхвысоких частот (СВЧ) с линейной поляризацией радиоволн, когда число модулей может достигать нескольких сотен. Поэтому актуальны вопросы разработки компактных ДА, отвечающих всё возрастающим требованиям как к уровню согласования и величине коэффициента усиления (КУ), так и к габаритно-массовым характеристикам, упрощению технологии реализации и повышению надежности и ремонтопригодности антенных узлов.
Несмотря на значительный прогресс в проектировании и серийном выпуске классических дипольных директорных антенн с питанием классического полуволнового диполя-возбудителя в центре на его смежных клеммах, не снижается внимание к их модернизации и совершенствованию, где ключевыми, как правило, являются габаритно-массовые требования. Этому в значительной степени отвечает печатное исполнение антенн, когда в пределах одной диэлектрической заготовки реализуется вся излучающая структура, с высоким процентом выхода годных изделий в одном технологическом цикле.
Актуальны также вопросы волноводного питания директорных антенн, поскольку прямоугольные и круглые волноводы характеризуются существенно меньшими диссипативными потерями в диапазоне СВЧ, повышенной механической прочностью и устойчивостью к ударам и вибрациям, а также лучшей защищённостью от воздействия нежелательных электромагнитных и ионизирующих излучений.
Степень разработанности проблемы. Многодипольные ДА традиционно используются в качестве базовых излучающих модулей многоэлементных фазированных антенных решеток (ФАР) радиолокационных станций (РЛС) опознавания, наведения и сопровождения наземного, морского и воздушного базирования. Значительный вклад в исследования многодипольных антенн, включая директорные, и возможностей их применения в радиосистемах внесли как отечественные ученые А.А. Пистолькорс, Г.Т. Марков, Г.З. Айзенберг, Л.Д. Бахрах, Д.И. Воскресенский, В.Д. Каплун, Б.В. Сестрорецкий, Д.М. Сазонов, В.В. Чебышев, О.Г. Вендик, М.В. Инденбом, В.И. Кошелев, В.П. Беличенко, Т.Т. Газизов, В.Ф. Лось и другие, так и многие зарубежные исследователи, в том числе: H. Yagi, S. Uda, S.A. Schelkunoff, H.T. Friis, S. Silver, E. Hallen, J.D. Kraus, R.W.P. King, H.J. Jasik, C.A. Balanis, N. Marchand, J.L. Volakis, Z.N. Chen, W.-K. Chen, J.R. Wait и т.д. Результаты этих исследований и разработок квалифицируются как весьма удачные решения в области проектирования ДА в терминах их направленности, согласования и степени линейности поляризации излучаемых радиоволн.
Однако, всё возрастающие требования к габаритно-массовым показателям антенн, уровню их производственной и эксплуатационной технологичности, степени помехозащищенности, а также к критериям электромагнитной совместимости АС обусловливают необходимость поиска новых подходов к модернизации ДА и совершенствованию уже существующих методик их проектирования.
Одним из таких путей является замена полуволнового дипольного возбудителя, питаемого в центре на его смежных клеммах, новыми возбудителями дипольного вида (ВДВ), питаемыми либо на удаленных концах проводников, либо на смежном конце одной половины и удаленном конце другой половины диполя. До настоящего времени в литературе совершенно отсутствовало описание таких возбудителей ДА. Между тем, этот подход, основанный на концевом и центрально-концевом питании, является весьма многообещающим в плане упрощения технологии изготовления ДА; появления дополнительных степеней свободы при реализации проектно-компоновочных задач в многоэлементных АС, включая ФАР; в решении вопросов построения многофункциональных ДА, в которых излучение электромагнитных волн совмещается с реконфигурацией характеристик (по частоте, форме диаграммы направленности и поляризации), работой в нескольких диапазонах, суммарно-разностным возбуждением и другими возможностями. Приоритет по концевому и центрально-концевому питанию ВДВ уже защищён тремя патентами РФ на имя Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Вместе с тем, предельно достижимые (потенциальные) показатели ДА с такими возбудителями оцениваются в данной диссертационной работе, а методика их проектирования формируется и апробируется по её результатам.
Цель работы – исследование и разработка методики проектирования директорных антенн новой структуры с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей, формирование и отработка процедур их конструктивно-компоновочных решений при печатном и интегрированном печатно-волноводном исполнениях с учетом отечественных конструкторско-технологических ограничений на материалы и технологии формообразования и формирования печатных фрагментов.
Следующие основные задачи решены для достижения поставленной цели:
-
Выполнен анализ существующих конструкций дипольных директорных антенн, в результате чего выбрано направление исследований;
-
Методика проектирования классических центрально-питаемых дипольных излучателей обобщена на предложенные и обоснованные линейные излучатели дипольного вида с концевым и центрально-концевым возбуждением;
-
Методика проектирования директорных антенн с классическим полуволновым дипольным возбудителем обобщена на директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида;
-
Впервые в результате решения совокупности электродинамических уравнений выведены соотношения, позволяющие с точностью до 15% определить размеры фрагментов печатных директорных антенн с концевым и центрально-концевым возбуждением излучателей дипольного вида;
5. На основе системного подхода выявлены особенности излучения и
сформированы начальные облики компьютерных моделей печатных ДА с
линейными излучающими проводниками при концевом и центрально-концевом
питании для последующей оптимизации размеров и расстояний с
использованием лицензионного ПО трёхмерного электродинамического
моделирования «CST STUDIO SUITE»;
6. Разработаны печатные ДА с несимметричным питанием коаксиальными кабелями, а также реализованы интегрированные волноводно-дипольные возбудители ДА как с концевым, так и с центрально-концевым питанием.
Объектом исследования являются директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида.
Предметом исследования являются электродинамические модели проводных и печатных директорных антенн с возбудителями дипольного вида.
Методы исследования. Для решения задач использованы методы, базирующиеся на классических электродинамических принципах теории антенн, численных приёмах решения прикладных задач электродинамики, реализованных в среде «MathCAD 15», а также на алгоритмах нелинейной параметрической оптимизации функции многих переменных (генетическом, доверительных областей). Развитые в работе теоретические положения получены с использованием теории многополюсных электрических цепей СВЧ, метода наводимых ЭДС, принципов эквивалентности цилиндрических и печатных излучающих проводников, а также верифицированы результатами натурных экспериментов.
Обоснованность и достоверность результатов обусловлена использованием классических методов электродинамического анализа излучателей с линейными цилиндрическими проводниками, корректным применением аппарата анализа многополюсных цепей СВЧ с распределенными параметрами, системным построением стратегии нелинейной параметрической оптимизации, а также совпадением результатов с известными частными случаями в ранее опубликованных работах других авторов, относящихся к классическим центрально-питаемым диполям, включая сопоставление данных, полученных расчетным и экспериментальным путём.
Научная новизна работы заключается в обобщении классической электродинамической теории дипольных директорных антенн на директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида, позволившем предложить методику проектирования с единых позиций новых типов печатных и печатно-волноводных директорных антенн.
Теоретическая и практическая значимость работы. В теоретическом плане значимость работы определяется расширением области знаний и представлений об электромагнитном излучении ДА. Значение для практики заключается в формировании эффективных методик проектирования ДА со свободной областью вблизи смежных концов половин линейных возбудителей дипольного вида.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Матричная форма записи геометрических и электрических параметров
линейных дипольных излучателей позволяет обобщить их свойства и рассчитать
электродинамические характеристики директорных антенн с проводниками
цилиндрической формы, возбудители которых могут иметь центрально-
концевое либо концевое питание.
2. Облик начального приближения печатной директорной антенны с
возбудителем дипольного вида может быть адекватно сформирован посредством
трёхэтапной методики, включающей процедуры оптимизации характеристик проводного прототипа, синтеза распределительной структуры и перехода к печатному эквиваленту.
3. Реализация центрально-концевого питания возбудителя печатной
директорной антенны достигается при возбуждении смежного конца одного
плеча и удалённого конца другого плеча диполя сигналами с выходов
синфазного равноамплитудного делителя мощности.
4. Реализация концевого питания возбудителя печатной директорной антенны
достигается при возбуждении удалённых концов обоих плеч диполя сигналами с
выходов противофазного равноамплитудного делителя мощности.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Работа выполнена в рамках проведения госбюджетных НИР на кафедре «Радиоприёмные и радиопередающие устройства» НГТУ, а также в ходе выполнения договора о научно-техническом сотрудничестве между НГТУ и «Всероссийским НИИ радиоаппаратуры» («ВНИИРА», г. Санкт-Петербург) и поддержана тремя грантами Минобрнауки: «Разработка теоретических основ построения сверхширокополосных измерительных аттенюаторов, полосковых эллиптических фильтров и высокодобротных резонаторов для радиофизического оборудования, радиопередающей аппаратуры связи и цифрового телевидения» (№ 7.1667.2011), «Теория построения и практическая реализация широкополосных микроволновых устройств, предназначенных для использования в измерительном оборудовании цифровых систем телевидения, связи и телекоммуникаций, включая вычислительные системы» (код проекта 629), «Разработка теоретических основ построения измерительного оборудования для телекоммуникационных систем, содержащего мощные СВЧ аттенюаторы, полосовые фильтры с заданными частотами режекции и микрополосковые печатные антенны» (шифр 8.6847.2017/БЧ).
Полученные в работе результаты внедрены на предприятиях г. Новосибирска: в АО «НПО НИИИП-НЗиК» концерна «Алмаз-Антей» – при проектировании элементной базы ФАР с закрытым и открытым способами возбуждения; в ООО «НПП Триада-ТВ» и ЗАО «Системы телевещания» – для реализации проектов перспективных изделий антенно-фидерных трактов приёмо-передающей аппаратуры, включая системы цифрового телевидения; внедрение подтверждается тремя актами. Также разработанные программы и методики используются в учебном процессе кафедры «Радиоприемные и радиопередающие устройства» НГТУ.
Личный вклад автора определяется тем, что им выполнено обобщение методики проектирования классических дипольных ДА на директорные антенны с концевым и центрально-концевым питанием возбудителей дипольного вида. Автор самостоятельно осуществил моделирование характеристик всех спроектированных антенн и контроль за их оптимизацией, разработку конструкторской документации на опытные образцы, их экспериментальное исследование. В работах, опубликованных в соавторстве, результаты, относящиеся к тематике данной диссертации, также получены лично автором при его определяющем участии.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях: 11 международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012), Новосибирск, 2012 г., Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири», Новосибирск, 2014 г., 12 международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2014), Новосибирск, 2014 г., Всероссийская научная конференция молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2014 г., 53я международная научная студенческая конференция МНСК-2015, Новосибирск, 2015 г., XXII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (РЛНС-2016), Воронеж, 2016 г., 11 Международный Форум по Стратегическим Технологиям IFOST-2016, Новосибирск, 2016 г., 13 международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2016), Новосибирск, 2016 г., XVIII всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность. Оборона» (НПО-2017), Новосибирск, 2017 г., 18 Международная конференция молодых специалистов по микро / нанотехнологиям и электронным устройствам EDM-2017, Новосибирск, 2017 г., XVIII Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (ПТиТТ-2017), Казань, 2017 г., 24я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-24), Томск, 2018 г., а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях студентов и аспирантов НГТУ (Новосибирск, 2012-2017 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ. Из них 6 статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 статья, индексируемая в базе данных «Web of Science», 2 статьи в рецензируемых журналах, 14 публикаций в трудах всероссийских и международных конференций, имеется 1 патент на изобретение и 2 свидетельства о регистрации топологий антенн.
Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.12.07 – «Антенны, СВЧ устройства и их технологии». Представленные в ней результаты соответствуют паспорту специальности: п. 2 «Исследование характеристик антенн и СВЧ-устройств для их оптимизации и модернизации» и п. 3 «Исследование и разработка новых антенных систем с существенно улучшенными параметрами».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований отечественных и зарубежных работ, и двух приложений. Текст диссертации изложен на 163 страницах, содержит 74 рисунка и 8 таблиц.