Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время наблюдается большой интерес к проблеме создания простых и дешевых антенных систем с электрическим управлением положением луча. Особенно актуальна эта задача в миллиметровом диапазоне волн. Такие антенны могли бы найти широкое применение в таких областях как транспортные системы управления и контроля (доплеровские сенсоры, автомобильные системы предотвращения столкновений); радиосвязь на миллиметровых волнах (космические коммуникации, радиотелефония с пространственно-временным разделением сигнала и многоканальным доступом, беспроводные локальные компьютерные сети); радиолокаторы (метеорологические радары, автомобильные локаторы, локаторы для малых летательных аппаратов и малых судов, локаторы охранных систем); радионавигационные системы миллиметровых волн (системы посадки, радиовысотомеры).
Обычно для быстрого переключения луча используются фазированные антенные решетки. Эти антенны сложны в управлении и слишком дороги (их стоимость в мире составляет порядка 50-100 долларов на элемент при наличии сотен и тысяч элементов в решетке).
Структуры, исследуемые в диссертационной работе, позволяют создать дешевые и простые в управлений сканирующие антенны практически во всем миллиметровом диапазоне — интегральные фазированные антенные решетки (ИФАР), что и дает возможность сделать заключение об актуальности работы.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических моделей, методов определения ряда важнейших параметров дипольных излучателей, расположенных на поверхности могослойных магниго-гиротропных феррит-диэлектрик-феррит структур (ФДФ-структур) - основе
интегральных антенных решеток - ИФАР, а построение модели ИФАР, позволяющей осуществлять расчет их параметров
К таким параметрам относятся диаграммы направленности (ДН) диполей на структуре, их собственный и взаимные импедансы. Кроме того в работе ставилась задача совмещешія результатов моделирования отдельных элементов ИФАР и расчета параметров антенны в целом, а іакже экспериментального исследования факторов, определяющих реальные характеристики антенн, которые могут не учитываться при их моделировании.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи.
-
Получение аналитических выражений для определения диаграммы направленности одиночного диполя, расположенного на поверхности многослойной феррит-диэлектрической структуры (здесь применялись обобщенная лемма Лоренца и понятие поверхностного импеданса).
-
Определение собственного импеданса одиночного диполя, расположенного на поверхности феррит-диэлектрической структуры (использован баланс мощности, методы эквивалентных длинных линий и квазистатический подход).
-
Определение взаимного импеданса системы диполей, расположенных на поверхности такой структуры (задачу удалось решить, используя информацию, заключенную в поле дальней зоны).
-
Вывод системы уравнений, описывающих передающий режим ИФАР, с использованием обобщенной теоремы взаимности, баланса мощности и принципа эквивалентности.
-
Определение факторов, влияющих на характеристики экспериментальных образцов ИФАР (использовано моделирование неоднородностей компонентов ИФАР проведены экспериментальные исследования)
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в гей впервые:
-
Решена задача об излучении одиночного диполя, расположенного на юверхности многослойной и многомодовой магпитно-гиротропной структуры. Обнаружен ряд неизвестных ранее явлений: появление асимметрии диаграммы іаправленности в Н-плоскости при памагничивании ферритовых слоев, появ-іение кроссполяризационной составляющей поля в Е-гшоскости, наличие оп->еделеігаьіх видов симметрии диаграммы направленности.
-
Предложен новый метод определения взаимного импеданса пары ди-юлей на поверхности структуры, в котором эрмитовая часть взаимного импе-инса определяется при любом расстоянии между диполями на основе баланса .ющности по полю в дальней зоне, а неэрмитова часть восстанавливается путем інализа особеїпюстей функциональной зависимости полного взаимного импеданса от расстояния между диполями. Такой подход позволяет учесть взаимодействие диполей за счет ближних полей, зная только поле в зоне излучения.
-
Подученные результаты применены для построения полной теорети-геской модели ИФАР и получили экспериментальное подтверждение.
Основные защищаемые положения
-
Намагничивание ферритовых слоев в направлении параллельном оси диполя, лежащего на ФДФ-структуре, приводит к асимметрии его диаграммы направленности в Н-плоскости и появлению кроссполяризационной составляющей в Е-шгаскости. Асимметрия диаграммы вызывает несимметрию матрицы взаимных импедансов диполей, что является одним из проявлений невзаимности системы.
-
В случаях, когда диполь на структуре ориентирован параллельно или перпендикулярно намагничиванию слоев его диаграмма направ-
ленности обладает плоскостью симметрии, которая перпендикулярна направлению намагничивания.
-
Диаграмма направленности диполя в Н-плоскости может приобретать П-образную форму с крутыми склонами вблизи касательных к структуре направлений. Это явление наступает вблизи так называемой «критической» частоты, совпадающей с частотой отсечки поверхностной моды структуры с малым замедлением. При этом реализуется максимальное сопротивление излучения. На частотах, меньших «критической» намагничивание феррита вызывает уменьшение сопротивления излучения, а на частотах, больших «критической» - его увеличение.
-
Распределение тока вдоль диполя в ИФАР очень слабо зависит от размеров диполя и остается близким к резонансному, если длина диполя менее чем в два с половиной раза больше резонансной. Это связано с тем, что диполь возбуждается распределенным вдоль него полем волиоводной моды, немного спадающим к его краям.
-
Взаимные импедаисы между диполями как при больших, так и при малых расстояниях могут быть найдены через диаграмму направленности одиночного диполя в дальней зоне на основе анализа особенностей функциональной зависимости взаимного импеданса от расстояния между диполями. При этом учитывается, что диполи взаимодействуют за счет ближних полей, так как в направлении друг на друга они не излучают.
-
Примененный метод поэлементного анализа ИФАР обеспечивает строгий учет всех взаимодействующих волновых процессов в антенне, включая невзаимность сред, многомодовый режим в структуре, условия на ее концах и др. Данный метод пригоден и тогда, когда
размеры диполей и расстояния между ними неодинаковы, а также при наличии неоднородиостей самой структуры.
Практическая ценность
Полученные результаты позволяют осуществлять расчеты параметров нового класса сканирующих антенн, которые, обладая интегральной конструкцией и чрезвычайно простым элекфнчесюш управлением, имеют низкую стоимость при крупносерийном и массовом производстве. Антенны могут найти широкое применение в разных областях, некоторые из них были перечислены выше.
Основные результаты исследования, представленные в диссертации и в публикациях, содержат описание методов электродинамического анализа, окончательные аналитические выражения, описания вычислительных процедур и результаты расчетов.
Проведенный комплекс экспериментальных исследований позволил определить требования, предъявляемые к допускам на составляющие ИФАР феррит-диэлектрические компоненты, а также предложить технологические приемы, позволяющие существенно улучшить параметры антенн.
Кроме того разработаны и реализованы действующие макеты антенн.
Данные результаты могут быть использованы при конструировании промышленных образцов предлагаемых антенн. Получены новые теоретических результаты, имеющие также и самостоятельное научное и научно-методическое значение. Б этом — практическая ценность диссертационной работы.
Внедрение результатов работы.
Диссертационная работа выполнялась в СПбТТУ в течение 1988-2000 гг. Результаты, изложенные в диссертации, использованы при выполнении НИР по договорам №90112, 9О1301, 901306, 901110, по госбюджетным
НИР, гранту РФФИ № 96-02-18792а, также в рамках работ по международным программам CRDF RE1-1S5 и RE1-510.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались: на научно-технических конференции «ФАР и их элементы. Автоматизация проектирования и измерений», ФАР-90, Казань. 1990;
на НТК «ФАР и их элементы. Автоматизация проектирования и измере-ний.ФАР-92». Казань.1992;
на международных симпозиумах и конференциях: IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, 15-18 October 1996, USA, Boston, Massachusetts;
Northrop Grumman Electrodynamics and Application Symposium, Santa Monica, Los Angeles, USA, September 16,1997;
Eighth Biennial Conference on Electromagnetic Field Computation, Tucson, Arizona, June 1-3,1998; Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 20 работ. Объем работы.
Диссертация изложена на 202 страницах .машинописного текста (включая приложения), основной текст содержит 190 страниц, включая 69 рисунков, 4 таблицы. Список литературы на 7 страницах содержит 65 наименований.
