Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ возможностей и перспективных направлений использования методов математического моделирования и параметрической оптимизации для совершенствования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга 10
1.1. Обзор принципов построения, возможностей и эффективности программных средств численного электродинамического моделирования 10
1.2. Анализ перспективных путей автоматизации проектирования антенных решеток, используемых в комплексах аппаратуры радиомониторинга 25
1.3. Выводы по первой главе 29
2. Разработка математических моделей и процедур параметрического синтеза нерегулярных ТЕМ- рупоров и щелевых антенн бегущей волны . 30
2.1. Предпосылки к созданию математических моделей и процедур оптимального параметрического синтеза ТЕМ- рупоров с нерегулярным продольным распределением волнового сопротивления 31
2.2. Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода 35
2.3. Создание процедуры параметрического синтеза ТЕМ- рупора с улучшенными входными характеристиками на основе генетического алгоритма 48
2.4. Анализ зависимости характеристик щелевых антенн бегущей волны от формы профиля щели 54
2.5. Автоматизация проектирования щелевых антенн бегущей волны на основе сочетания их моделирования в квазистатическом приближении и строгого электродинамического анализа 59
2.6. Оптимизация входных характеристик сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны на основе использования генетического алгоритма... 72
2.7. Использование генетического алгоритма в процедуре параметрического синтеза согласующего полоскового трансформатора сверхширокополосной СВЧ-антенны 79
2.8. Выводы по второй главе 88
3. Моделирование антенных решеток комплексов радиопеленгации и сверхширокополосных антенных устройств и антенных решеток для аппаратуры радиоконтроля 90
3.1. Методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток из несимметричных ТЕМ- рупоров (антенн без фазового центра) в фазовых радиопеленгаторах 91
3.2. Проектирование кольцевых (полноазимутальных) радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов без фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), способных принимать электромагнитные волны произвольной поляризации 101
3.3. Математическое моделирование и экспериментальные исследования широкополосных и сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга ПО
3.4. Выводы по третьей главе 123
4. Описание комплекса специализированных программ, предназначенных для моделирования и оптимизации параметров антенных устройств и антенных систем аппаратуры радиомониторинга 125
Заключение 130
Список цитируемых источников
- Анализ перспективных путей автоматизации проектирования антенных решеток, используемых в комплексах аппаратуры радиомониторинга
- Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода
- Анализ зависимости характеристик щелевых антенн бегущей волны от формы профиля щели
- Проектирование кольцевых (полноазимутальных) радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов без фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), способных принимать электромагнитные волны произвольной поляризации
Введение к работе
Актуальность работы. Для укрепления обороноспособности и безопасности государства в условиях доступности приобретения самых современных средств связи и телекоммуникации требуется создание высокоэффективной сверхширокополосной аппаратуры радиомониторинга, характеристики которой'в значительной мере определяются параметрами используемых антенн и антенных систем.
В процедурах проектирования антенных элементов и систем широко используются как аналитические модели, так и модели, построенные на основе численных методов решения уравнений Максвелла. Теория численных методов решения уравнений Максвелла в частотной области (метод конечных элементов, метод моментов и др.) и во временной области (конечно-разностный метод (K.Yee), метод конечных интегралов (T.Weiland)) стреми-. тельно развивается; в настоящее время создан ряд программ электродинамического моделирования, в которых реализованы различные модификации вышеназванных методов. Отдельной ветвью развития численного электродинамического моделирования является создание эвристических моделей и алгоритмов анализа антенных устройств; в качестве наиболее блестящего примера эвристического подхода к электродинамическому моделированию можно привести метод R? - потоковых сеток, разработанный Б.В. Сестрорецким и реализованный в ряде мощных электродинамических симуляторов (TAMIC и др.).
В настоящее время во всем мире широкое распространение получили следующие мощные электродинамические симуляторы (в скобках указаны названия фирм-производителей): HFSS (Ansoft), MGrid&IE3D (Zeland), FEKO (EMSS), Sonnet Suite (Sonnet), Microwave Office (AWR), FIDELITY (Zeland), XFDTD (Remcom), XGTD (Remcom), Microwave Studio (CST), TAMIC (Вега Стар), с помощью которых можно осуществлять анализ (а в ряде случаев — и синтез) достаточно сложных антенно-фидерных устройств и систем.
Однако ни одно из вышеперечисленных программных средств не может в полной мере удовлетворить важнейшим требованиям, выдвигаемым при проектировании антенных систем аппаратуры радиомониторинга: рациональному выбору их структуры, базовых элементов и основных параметров; возможности проведения анализа и синтеза сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них решеток на основе широкого спек-
v.' . -:5і '"..' . ' / ,".
тра моделей различного уровня строгости и автоматизации оптимального выбора вида: моделей, используемых в: процедурах параметрической оптимизации., '
Данные обстоятельства делают актуальным тему настоящей диссер- . .
тации, выполненной в рамках научного направления ГОУВПО «Воронеж
ский государственный технический университет» — «Разработка и исследова-; /
ние перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств; систем переда
чи, приема;'.'.обработки и защиты информации»..'. . ^ ...... .
Целью диссертационной работы является; создание и исследование
комплекса .математических моделей; сверхширокополЬсных антенных уст- ';-
ройств и антенных систем для аппаратуры радиомониторинга, а также опти
мизация процедур их .проектирование '*,'.':'.;'.У-^'...'.'-''. . ; . : л :Ь
..::". Основные задачи исследования:, .ll-ls^l^C-^'-'- ',V;;-::.i>..
- анализа'возможностей,исследование и^уточнениёгрбластииспрльзр^ ,^:; ;^.:
ванйя- и выявление^существующих недостатков методові, вычислительной - .'-.':'
электродинамики, математического моделирования;, а также существующих
программных средств электродинамического моделирования в контексте иху .
использования для,моделирования и-оптимизации параметров- антенных сие- -
тем и антенных устройств аппаратурьградиомониторинга;:;, 1--1-1:-
./;'"' - многоуровневое моделирование и: оптимизация? параметров ТЕМ-";: рупорові в.сверхширокой полосе рабочих частот, создание ряда.математиче-.. '.. скихмоделей и процедур оптимизации щелевых антенн бегущей волны, а ; также разработка комплекса математических моделей свёрхширокополосных, . антенных устройств с квазитороидальной диаграммой направленности;
.,- разработка математических моделей антенных решеток комплексов радиомониторинга, состоящих из направленных и изотропных в азимуталь- ной плоскости элементов;
. - создание специализированного комплекса программ, предназначенных для моделирования и оптимизации параметров антенных устройств и систем аппаратуры радиомониторинга.
Методы исследования. При выполнений работы использованы мето-ды математического моделирования, численные методы,, вычислительные методы технической электродинамики, метод генетического алгоритма;, а также основные положения теории систем автоматизированного проектирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан комплекс математических моделей ТЕМ- рупоров с нерегулярным законом' продольного распределения волнового сопротивления, отличающийся возможностью проведения параметрического синтеза на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах и подходов к построению оптимизационной процедуры;
разработаны и апробированы модели и процедуры оптимизации щелевых антенн бегущей волны, отличающиеся возможностью проведения параметрического синтеза на основе представления анализируемой электродинамической структуры в виде каскадного соединения диссипативных четырехполюсников, с целью оптимизации входных характеристик;
создана методика автоматизированного проектирования кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных направленных антенных элементов, не имеющих фазового центра (ТЕМ-рупоров, щелевых антенн бегущей волны типа Вивальди);
- создан комплекс математических моделей сверхширокополосных
антенных элементов с квазитороидальной и квазикардиоиднои диаграммами
направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший раз
вить перспективные направления по созданию антенн, обладающих умень
шенными значениями нижней критической частоты рабочего диапазона.
Практическая значимость работы заключается в создании моделей и методик автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенных устройств и систем, позволяющих существенно повысить чувствительность и точность аппаратуры радиомониторинга, а также уменьшить ее габаритные размеры и массу.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебные процессы: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; ВВТУ ФСО России (г. Воронеж); Воронежского института МВД России.
Основные положения, выносимые на защиту:
- многоуровневый комплекс математических моделей и процедур па
раметрического синтеза ТЕМ- рупоров, позволивших создать сверхшироко
полосные антенные элементы с существенно уменьшенными значениями
7 нижней граничной частоты функционирования;
математические модели и процедуры оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны, с помощью которых синтезированы излучатели, превосходящие по эффективности антенну Вивальди эквивалентных геометрических размеров;
методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток, состоящих из направленных сверхширокополосных излучателей, не имеющих фазового центра, позволившая разработать высокоэффективные антенные системы аппаратуры радиомониторинга;
комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств с квазитороидальной и квазикардиоидной диаграммами направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший создать ряд конструкций высокоэффективных печатных антенн для стационарной и носимой аппаратуры радиомониторинга.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной НТК «Кибернетика и высокие технологии ХХ1-го века» (Воронеж, 2005), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 2004-2007).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 14 научных работах, в том числе 12 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке цитируемых источников, лично соискателю принадлежит: [1,2] - анализ возможностей программных средств электродинамического моделирования; [52,53,56,57] - математические модели ТЕМ- рупоров; [65,68,69,70,71,72] - процедура оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны на основе модели антенны в виде многокаскадного соединения диссипативных четырехполюсников; [74] - модель полосково-го трансформатора; [87,91,92] - методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток; [95,96,97] - математические модели сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них антенных решеток.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и шести приложений. Работа содержит 139 страниц, 105 рисунков и 5 таблиц.
В первой главе проведен анализ возможностей и перспективных направлений использования методов математического моделирования и параметрической оптимизации в контексте их использования для моделирования и оптимизации параметров антенных систем и антенных устройств аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга. Проанализированы перспективные пути автоматизации проектирования антенных решеток, используемых в комплексах радиоконтроля стационарного и мобильного базирования, а также в портативной аппаратуре радиомониторинга.
Выяснено, что для эффективного проектирования сверхширокополосных антенных систем и устройств современной аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга необходимо создание комплекса математических моделей и специализированных программных средств их проектирования и оптимизации.
Показано, что формирование физико-математических моделей различного уровня описания электродинамических процессов в анализируемых и проектируемых антенных системах и устройствах аппаратуры радиоконтроля (от строгого решения уравнений Максвелла с граничными условиями с помощью различных численных методов, до создания эвристических моделей, основанных на построении простых эквивалентных схем исследуемых объектов) является наиболее перспективным путем совершенствования характеристик антенн комплексов радиопеленгации и радиомониторинга.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей и процедур параметрического синтеза различных модификаций ТЕМ- рупоров и щелевых антенн бегущей волны (ЩАБВ). Проведены исследования по рациональному выбору продольной зависимости волнового сопротивления нерегулярного ТЕМ- рупора. Для вычисления основных характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора построена модель, описывающая антенное устройство в режиме его возбуждения сторонним источником высокочастотной энергии. В главе приведены результаты оптимизации геометрии нерегулярного ТЕМ-рупора с помощью использования генетического алгоритма. Для оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны в сверхширокой полосе частот предложена методика, основанная на построении модели анализируемой антенны в виде последовательного соединения четырехполюсников. В главе использован генетический алгоритм в процедуре параметрического синтеза согласующего полоскового трансформатора сверхширокополосной СВЧ-антенны.
В главе 3 разработана методика автоматизированного проектирования кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверх-широкополосньгх направленных антенных элементов, не имеющих фазового центра (ТЕМ- рупоров, щелевых антенн бегущей волны типа Вивальди
Для упрощения параметрического синтеза уединенного ТЕМ- рупора со средним входным сопротивлением около 50 Ом была использована его модель, основанная на учете лишь основной, чисто поперечной волноводнои моды ТЕМ. Адекватность и область применимости данной модели уточнялись путем сравнения полученных численных результатов с данными строгого электродинамического анализа, основанного на решении системы векторных интегральных уравнений Фока (2-го рода) с помощью метода моментов.
В главе методом численного моделирования показана возможность использования 7 - элементной кольцевой антенной решетки из несимметричных ТЕМ- рупоров в фазовых радиопеленгаторах.
Для разработки модели антенной решетки полноазимутального сверхширокополосного радиопеленгатора использован метод конечных интегралов, что позволило осуществить проектирование кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов без фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), способных принимать электромагнитные волны произвольной поляризации.
В главе также разработаны модели и методики проектирования сверхширокополосных антенных устройств и антенных решеток для аппаратуры радиоконтроля, на основе плоского биконического вибратора (расположенного в свободном пространстве и над листом идеально проводящего металла). Путем проведения численного эксперимента спроектирован ряд плоских антенных решеток из четырех элементов, в которых элементы расположены линейно и по квадрату.
Анализ перспективных путей автоматизации проектирования антенных решеток, используемых в комплексах аппаратуры радиомониторинга
Основной принцип радиопеленгации, заключающийся в определении направления распространения электромагнитных волн методом сравнения сигналов, принятых антенной системой, имеющей две и более несовпадающие, в общем случае, комплексные диаграммы направленности, сформулирован в известной работе Родса [22]. В работах основоположников теории и техники радиопеленгации (Кукеса, Ширкова, Фальковича, Щегол ев а, Гуткина, Родса и других [23-25]) разработаны основные методы и способы пеленгования (поля-ризационно- и фазо-чувствительные, Ватсона-Ватта, фазометрические, интер-ферометрические и др.); определены типовые структуры пеленгаторных антенных систем (Н-образные, Эдкока-Комолова, U-образные, системы взаимно ортогональных рамочных антенн и др.).
Основными техническими характеристиками современных радиопеленгаторов являются: ширина полосы рабочих частот, характеризуемая коэффициентом перекрытия рабочего диапазона частот; инструментальная и эксплуатационная точности пеленгования; чувствительность; пропускная способность (быстродействие); разрешающая способность; помехоустойчивость; масса и габариты. Немаловажную роль играет также технологичность и стоимость радиопеленгаторов, в которой затраты на разработку, производство и эксплуатацию антенной системы и программного обеспечения, предназначенного для обработки сигналов, могут существенно превышать 50%.
Задачи проведения оптимального структурного и параметрического синтеза широкополосной пеленгаторной антенной системы, а также рационального выбора и модификации методов и алгоритмов пеленгования (направленной на компенсацию инструментальной погрешности оценки угловых координат, вызванной рассеянием радиоволн на излучателях и окружающих их металлических предметах), являются весьма сложными даже с точки зрения назначения коэффициентов стоимости отдельных показателей и характеристик, проводимого методами экспертных оценок.
Комплексы радиопеленгования могут обладать рабочим диапазоном частот с коэффициентом перекрытия по частоте до (30- 40) и даже значительно большим. На практике весьма в редких случаях удается перекрыть с помощью одной литеры такой диапазон частот. Поэтому широко используются вложен 26 ные друг в друга антенные решетки (в частности, вибраторного типа). Внешние решетки при этом образуют как бы сплошные цилиндры, полые изнутри. Сильная электродинамическая связь антенных элементов, опорной мачты или корпуса носителя по внешнему полю (особенно в длинноволновой области рабочего диапазона) может вызывать существенные амплитудно-фазовые искажения наблюдаемого поля, что, влечет за собой инструментальные погрешности пеленгования, подчас имеющие недопустимую величину.
Весьма сложным является одновременное обеспечение широкоугольного обзора в горизонтальной (до полноазимутального сканирования) и вертикальной (до 180) плоскостях с высокой чувствительностью программно-пеленгационного комплекса (при расширении диаграммы направленности каждого элемента уменьшается значение его коэффициента усиления, что приводит к ухудшению энергетического потенциала рассматриваемой системы извлечения и обработки информации).
Использование направленных элементов пеленгаторной антенной решетки может существенно повысить чувствительность аппаратуры, снизить вероятность принятия ошибочных решений при приеме слабых радиосигналов. По данной причине существенный объем диссертации посвящен анализу широкополосных и сверхширокополосных антенных устройств, которые могут использоваться в мобильных и стационарных комплексах радиоконтроля (в качестве одиночных элементов и в составе антенных решеток).
Основные показатели качества радиопеленгования (точность, чувствительность, разрешающая способность) в существенной степени определяются структурой используемой антенной системы: видом и количеством антенных элементов, геометрией их размещения, поляризационными параметрами, диаграммой направленности и коэффициентом усиления. В частности, считается, что для успешного использования фазовых методов пеленгации, при формировании антенной решетки необходимо использовать элементы, обладающие фазовым центром. В диссертации показано, что в фазовых пеленгаторах могут успешно использоваться излучатели, не имеющие фазового центра (в частности, кольцевые пеленгаторные решетки, функционирующие в трехкратной полосе частот, могут быть образованы пирамидальными ТЕМ- рупорами или антеннами бегущей волны типа Вивальди).
Перед разработчиками антенных систем пеленгаторных комплексов возникает проблема необходимости выбора оптимального соотношения между эффективностью антенного элемента, как преобразователя энергии падающей на решетку электромагнитной волны и степенью искажения измеряемого распределения электромагнитного поля в месте ее расположения. Каждый антенный элемент решетки рассеивает падающие на него электромагнитные волны и, следовательно, искажает оценку угловых координат разрешаемого источника радиоизлучения. Полностью устранить рассеяние электромагнитного поля элементами антенной системы невозможно, так как величина эффективной поверхности рассеяния электродинамического объекта зависит от частоты, угла падения волны [26]. Несмотря на это, существующая теория радиопеленгации в основном построена на предположении невзаимодействующих элементов пе-ленгаторной антенной решетки, что является справедливым лишь при использовании достаточно далеко разнесенных пространственно, электрически коротких тонких вибраторов. В случае же базирования радиопеленгаторных антенных систем на мобильном носителе, или при близком расположении «затеняющих» друг друга направленных излучателей их синтез должен проводиться с учетом всех имеющих место дифракционных явлений, существенно ухудшающих характеристики аппаратуры радиоконтроля.
В работе [27] пожалуй, впервые проведено обоснование существенного (на порядок) ухудшения инструментальной точности пеленгования из-за взаимного влияния антенных элементов. Предложенные в ней и в работах других авторов способы уменьшения ошибок пеленгования, обусловленных взаимным влиянием излучателей антенной решетки, заключались в корректировке формируемых диаграмм направленности аппаратурными или программными средствами с использованием результатов математического моделирования или экспериментальных исследований искаженных диаграмм направленности. Практическое применение указанных подходов ограничивается из-за приближенности данных способов компенсации ошибок взаимного влияния элементов антенной решетки и довольно большого числа необходимых вычислительных операций.
Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода
Значение волнового сопротивления конического рупора часто выбирается равным 60 Ом (соответствующее равенству угловой ширины щелей и полос-ков). Типичное соотношение геометрических параметров пирамидальных рупоров соответствует значениям волнового сопротивления в пределах 90..200 Ом.
Для согласования и симметрирования ТЕМ- рупоров обычно используются полосковые (или микрополосковые) трансформаторы, однако конструкция ТЕМ-рупоров может быть упрощена и габаритные размеры уменьшены при использовании продольной вариации величины волнового сопротивления, что позволяет улучшить степень согласования и кроме того обеспечить симметрирование.
На рис. 2.2 [41] представлено фото экспериментального образца ТЕМ-рупора с модифицированным экспоненциальным законом продольного распределения волнового сопротивления , габаритные размеры ТЕМ-рупора 120x75x72 мм3.
Проведенные экспериментальные исследования антенн, представленных на рис. 2.2, показали, что коэффициент усиления ТЕМ- рупора с модифицированным экспоненциальным законом изменяется от 4 дБ на частоте 2 ГГц до 12 дБ на частоте 10 ГГц. Несмотря на существенно меньшие габаритные размеры по сравнению с измерительной рупорной антенной, ТЕМ-рупор характеризуется меньшим значением нижней граничной частоты, 0.75 ГГц и 0.9 ГГц соответственно.
Таким образом, экспериментально показано, что; используя модуляцию волнового сопротивления в осевом направлении, можно существенно снизить значение минимальной частоты рабочего диапазона ТЕМ- рупоров (вдвое по сравнению с ТЕМ- рупорами пирамидальной и конической формы эквивалентных габаритных размеров).
Данный способ синтеза профиля ТЕМ-рупоров, основан на использовании простых полуэмпирических формул, и выражений, полученных в электростатическом приближении, не утатывает дифракционньгх явлений, отражений от торцов,поэтому очевидно существует.озможность улу чщениясогаасования антенн данного типа: Для.дальнейшёго совершенствования параметров ТЕМ- рупоров необ- . :. ходимо; проводить их синтез с использованием; математических моделей] учитывающих весь спектр электродинамических процессов-: протекающих;в них: Наи- более перспективным методом синтеза: ТЕМ- рупоров; является методгенетические темі втом числе и антенн
В/Следующеш статическом; приближении профиля иолосков ТЕМ-рупора показанного на рис. 2.2,. с учетом нерегулярности, его -волнового сопротивления и концентрации силовых линий электрического поля вблизи кромок полосков, а также существо-вания;поля в окружающем рупор пространстве. / 2.2. Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода
Как было выяснено в подразделе 2.1, весьма перспективными широкополосными антеннами СВЧ диапазона являются ТЕМ- рупоры [32-37,39-41].
В ходе исследований [41] возможных законов продольного распределения волнового сопротивления (линейного, экспоненциального, Чебышевского) было выяснено, что экспоненциальная зависимость (рис. 2.5) близка к оптимальной по совокупности характеристик антенного устройства (входного сопротивления, направленных свойств и коэффициента усиления в полосе рабочих частот). Модуляция волнового сопротивления по экспоненциальному закону (что еще не является оптимальным) позволяет уменьшить значение нижней частоты рабочего диапазона почти вдвое по сравнению с пирамидальным ТЕМ-рупором одинаковых габаритных размеров. в) вид сбоку Рис. 2.5. Геометрия ТЕМ- рупора соответствующая экспоненциальному закону продольного распределения волнового сопротивления/
Улучшить входные характеристики ТЕМ- рупора с экспоненциальным законом продольного распределения волнового сопротивления можно [41] используя более точное выражения (2.3) [48] для волнового сопротивления по-лосковой линии с проводниками одинаковой ширины.
Однако зависимости (2.2, 2.3) были получены для расчета погонных параметров регулярных линий передачи и степень их точности быстро уменьшается при увеличении отношения t!В, из-за влияния краевых эффектов. В настоящем подразделе предложена электростатическая модель нерегулярного ТЕМ- рупора с линейной формой раскрыва и экспоненциальным законном волнового сопротивления вдоль его продольной оси у, позволяющая провести коррекцию формы и размеров полосков рупора в соответствии с критерием минимизации модуля коэффициента отражения и повысить коэффициент усиления в низкочастотной и средиечастотной областях рабочего диапазо Зазор между полосками рупора изменялся по линейному закону, в точках запитки его величина составляла 2 мм, в раскрыве рупора - 74 мм. Длина рупора (вдоль оси у) составляла 126 мм. Волновое сопротивление рупора изменялось вдоль его длины по экспоненциальному закону от ZmiB = 50 Ом в точках его запитки до Zmax =377 Ом в месте его максимального раскрыва. Исходный профиль полосков определялся в соответствии с выражением (2.3), рис. 2.6.
Исходный профиль полосков ТЕМ- рупора. Квазистатическая модель ТЕМ- рупора основана на переходе от трехмерного уравнения Лапласа, записанного для распределения скалярного потенциала электрического поля ф в объеме пространства, характеризующимся отсутствием сторонних электрических зарядов, к конечно-разностной его форме [49] для области пространства, заполненного воздухом: дх2 ду2 dz2 в то время как значения потенциала на пластинах ТЕМ- рупора являются постоянными и равными (й±0.5 В (соответственно для верхней и нижней пластин). Выбираем интервалы дискретизации пространства, в области которого расположен ТЕМ- рупор, следующим образом: Дг = 2 мм, Д, =7 мм, Дг =2 мм.
Анализ зависимости характеристик щелевых антенн бегущей волны от формы профиля щели
Печатные щелевые антенны, примерами которых являются ЩАЛЩ, щелевая антенна с постоянной шириной щели и антенна Вивальди (с экспоненциально расширяющейся щелью) широко применяются в различных приложениях [58-61]. В настоящем подразделе, путем сравнительного анализа результатов математического моделирования щелевых антенн бегущей волны показано что, варьируя формой щели, можно заметно уменьшить максимальное значение КСВН на входе антенны, увеличить коэффициент усиления и снизить уровень бокового излучения.
На рис. 2.20 изображены четыре разновидности формы щели в исследуемых печатных антеннах. Кроме двух традиционных профилей исследовались профиль с экспоненциальным и профиль с логопериодическим законами продольного распределения волнового сопротивления. Для проведения сравнительного анализа были построены математические модели исследуемых антенн, в которых учитывался также согласующе-симметрирующий трансформатор рис. 2.21.
. Частотные зависимости коэффициентов усиления: ЩАЛЩ (жирная сплошная линия); антенны Вивальди (пунктирная линия); антенны с экспоненциальным (штрих-пунктирная линия) и с логопериодическим (тонкая сплошная линия) законами продольного распределения волнового сопротивления
На частотах выше 4,6 ГГц КУ антенны с экспоненциальным законом распределения волнового сопротивления превышает КУ антенны Вивальди. На частотах выше 6,7 ГГц КУ антенны с логопериодическим законом продольного распределения волнового сопротивления превышает КУ остальных антенн.
Сравнительный анализ диаграмм направленности математических моделей щелевых антенн был проведен на трех частотах (рис. 2.24, 2.25, 2.26).
Диаграммы направленности на частоте 3 ГГц: ЩАЛЩ (жирная сплошная линия), антенны Вивальди (пунктирная линия), антенны с экспоненциальным (штрих-пунктирная линия) и с логопериодическим (тонкая сплошная линия) законом продольного распределения волнового сопротивления.
Диаграммы направленности на частоте 5 ГГц: ЩАЛЩ (жирная сплошная линия), антенны Вивальди (пунктирная линия), антенны с экспоненциальным (штрих-пунктирная линия) и с логопериодическим (тонкая сплошная линия) законом продольного распределения волнового сопротивления.
Антенна с логопериодическим законом распределения волнового сопротивления обладает наилучшим качеством согласования в широкой полосе час тот, при минимальном уровне бокового излучения, за исключением области низких частот, и наиболее близкой к линейному закону частотной зависимостью коэффициента усиления. Антенна с экспоненциальной зависимостью волнового сопротивления, обладает наибольшим коэффициентом усиления в большей части рабочей полосы среди рассматриваемых структур. Традиционные типы щелевых антенн ЩАЛЩ и антенна Вивальди уступают по качеству согласования, коэффициенту усиления и уровню бокового излучения, антеннам с логопериодическим и экспоненциальным законом распределения волнового сопротивления.
Диаграммы направленности на частоте 8 ГГц: ЩАЛЩ (жирная сплошная линия), антенны Вивальди (пунктирная линия), антенны с экспоненциальным (штрих-пунктирная линия) и с логопериодическим (тонкая сплошная линия) законом продольного распределения волнового сопротивления.
Частотные зависимости коэффициентов усиления, полученные в результате моделирования исследуемых антенных устройств подтверждают тезис о возможности уменьшения максимального значения КСВН на входе антенны и увеличения коэффициента усиления с помощью изменения формы щели, но поскольку выражения (2.5) (2.6), [62,63] дают чисто вещественное приближение для волнового сопротивления регулярной щелевой структуры не учитывающее конечную ширину подложки и краевые эффекты, а также потери на излучение, поэтому для параметрического синтеза щелевой антенны бегущей волны с оптимизированными входными характеристиками необходимо разработать модель щелевой структуры в квазистатическом приближении (для структуры конечной ширины), что изложено в подразделе 2.5.
Проектирование кольцевых (полноазимутальных) радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов без фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), способных принимать электромагнитные волны произвольной поляризации
Результаты численного анализа показывают, что согласование рупоров, синтезированных в приближении их уединенного расположения, незначительно ухудшается при их расположении в составе кольцевых АР. Взаимное влияние ТЕМ- рупоров в составе решетки приводит к усилению емкостной компоненты их входного сопротивления.
Качество согласования низкоомного ТЕМ- рупора во всей рассматриваемой полосе частот ощутимо лучше, чем у высокоомного аналога (как-у одиночного устройства, так и в составе кольцевой решетки), рис. 3.6.
Анализ элементов матрицы рассеяния jsj исследуемых антенных решеток показал, что взаимная связь их элементов характеризуется тенденцией к убыванию с ростом частоты (хотя и не монотонной, а пульсирующей), рис. 3.7, что обусловлено, как ростом их коэффициента усиления, рис. 3.8-3.10, так и увеличением электрического расстояния между антеннами.
Вследствие наличия локального уширения полосков низкоомного ТЕМ-рупора при z = 80 мм, на высоких частотах ощутимо сказываются фазовые искажения, приводящие, сначала, к потере роста коэффициента усиления с увеличением частоты, а затем - и падения усиления на частотном участке 7.25 -8.5 ГГц, рис. 3.8, а). Однако, в составе кольцевой решетки данный недостаток ТЕМ- рупора, синтезированного с использованием генетического алгоритма, исчезает, рис. 3.8, б). Несколько уменьшается значение коэффициента усиления обоих рассматриваемых рупоров в составе кольцевой решетки в низкочастотной области: на частоте 1 ГГц коэффициент усиления уединенных рупоров превышает 1 дБ (относительно изотропной антенны с КПД=100%); взаимное влияние соседних рупоров уменьшает данную величину до (0 -г -0.25) дБ (хотя данное явление и не носит катастрофического характера). Также является вполне естественным, что частотные зависимости коэффициентов усиления обоих ТЕМ- рупоров, находящихся в составе кольцевой решетки, являются немного более изрезанными, чем у уединенных элементов (особенно у низкоомного рупора, видимо, в результате локального уширения его полоска и расширении диаграммы направленности в Н- плоскости). В полосе же частот от 1.5 до 8.5 ГГц оба ТЕМ- рупора в составе решетки характеризуются коэффициентом усиления, приблизительно, от 4 до 16 дБ, что позволяет существенно повысить энергетический потенциал полноазимутальных радиопеленгаторов СВЧ диапазона при использовании в их антенных системах подобных элементов (в ряде наименований серийно выпускаемой СВЧ аппаратуры радиоконтроля до сих пор используют традиционные вибраторные антенны).
Проведенный анализ направленных свойств высокоомного и низкоомного ТЕМ- рупоров (рис. 3.9, ЗЛО) показал, что синтезированный с помощью генетического алгоритма ТЕМ- рупор со средним входным сопротивлением около 50 Ом, в составе кольцевой антенной решетки характеризуется более высоким средним уровнем бокового и заднего излучения, а также большей неравномерностью главного лепестка диаграммы направленности, особенно на высоких частотах, что ограничивает сверху диапазон его рабочих частот по критерию различимости фаз напряжений, наведенных на соседних элементах антенной решетки (по сравнению с АР из секторных ТЕМ- рупоров со средним входным сопротивлением около 100 Ом), рис. 3.11.
Ширина главного лепестка низкоомного ТЕМ- рупора в составе кольцевой антенной решетки как в Е-, так и в Н- плоскости несколько уже, чем у секторного ТЕМ- рупора в составе решетки; можно также констатировать, что синтезированный с помощью генетического алгоритма ТЕМ- рупор характеризуется лучшей (более гладкой) диаграммой направленности в Е- плоскости в области главного лепестка и в его ближайшей окрестности, в то время как в Н-плоскости лучшими направленными свойствами обладает секторный рупор. Данные особенности, вероятно, могут быть объяснимы с позиций того, что больший радиус кривизны низкоомного рупора несколько компенсирует дифракционные явления на кромках его полосков; меньшие же искажения фазовой структуры поля в Н- плоскости в секторном ТЕМ- рупоре, легко объяснимы скругленной формой торцов его полосков, геометрия которых фактически со 100 ответствуют поверхности фазового фронта волны, создаваемой сторонним источником в точках запитки рупора.
Более равномерными фазовыми характеристиками и лучшими полосовыми свойствами характеризуется кольцевая антенная решетка, состоящая из секторных ТЕМ- рупоров (рис. 3.1, а; рис. 3.11, а). Как следствие, в данной антенной системе легче аппроксимировать частотно-угловые зависимости сдвига фаз между соседними ТЕМ- рупорами, и, соответственно, реализовать фазовый метод пеленгации источников радиоизлучения с меньшими систематическими погрешностями пеленгования. С другой стороны - антенная система, состоящая из низкоомных ТЕМ- рупоров, синтезированных с помощью генетического алгоритма (рис. 3.1, б; рис. 3.11, б), характеризуется лучшим качеством согласования элементов, а также удобством использования стандартных высокочастотных усилителей и высокочастотных коммутаторов со стандартным входным сопротивлением 50 Ом. Энергетический потенциал обоих антенных систем является практически одинаковым.
Таким образом, в настоящей разделе получены следующие основные ре- зультаты.
1. Предложена простая модель несимметричного ТЕМ- рупора, позволившая, на основе использования генетического алгоритма, синтезировать кольцевую антенную решетку, состоящую из элементов со средним входным сопротивлением около 50 Ом.
2. Проведено сравнение характеристик несимметричных антенных элементов со средними входными сопротивлениями 100 Ом и 50 Ом, а также составленных из них кольцевых антенных решеток.
3. Показана возможность использования фазового метода пеленгования в кольцевых антенных решетках, составленных из несимметричных элементов, не имеющих фазового центра.
