Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние и развитие систем подвижной радиосвязи (СПР) требуют постоянного совершенствования и повышения качества приемопередающей (ПРМ-ПРД) радиоаппаратуры и антенно-волноводных устройств (АВУ), в том числе улучшения энергетических показателей, электромагнитной совместимости, повышения надежности, технологичности, снижения массо-габаритных показателей, ремонтопригодности, малой стоимости и др.
АВУ в значительной степени определяют качество и устойчивость УКВ связи с подвижными объектами (ПО) и играют важную роль в обеспечении энергетического потенциала радиоканала. На протяжении многих лет при разработке СПР основное внимание уделялось ПРМ-ПРД аппаратуре, где наиболее эффективно можно было добиться реального результата, увеличивая мощность передатчика, чувствительность приемника и т.д. В настоящее время для большинства основных параметров ПРМ-ПРД аппаратуры достигнуты значения, близкие к фундаментальным пределам [Л1,Л2]. В то же время исследование и разработка перспективных АВУ позволяют без существенного усложнения аппаратуры достичь качественно новых параметров СПР. Наряду с улучшением энергетических характеристик все более актуальной становится проблема стоимости и надежности АВУ. Для систем правительственной, специальной связи вопросы надежности гарантировались высокой стоимостью разработок и изготовления. В случае использования СПР в народном хозяйстве для широкого круга потребителей потребность в легких, низкосилуэтных, конформных и недорогих АВУ становится все более актуальной.
Относительно низкий частотный диапазон, жесткие требования к массо-габаритным показателям, надежности, стоимости, потребность размещения большого количества радиосредств в ограниченном объеме, присущие СПР, требуют исследования и разработки малогабаритных низкопрофильных излучающих структур (ИС) и антенных решеток (АР) на их основе [ЛЗ-Л5].
Малогабаритные низкопрофильные ИС, в частности, пол-осковые, микрополосковые (МП) и щелевые антенны (А), получили широкое распространение в технике [Л6-Л8]. В отечественной литературе одними из первых работ, посвященных МПА, были [Л9,Л10]. Большой вклад в развитие теории и техники А и АР, в частности, полосковых, внесли чл.-корр. РАН Л.Д.Бахрах, проф. А.Ф.Чаплин, проф. Д.И.Сазонов, проф., академик АИН РФ Б.А.Панченко, проф., академик АИН РФ Е.И.Нефедов и др. Значительное место в этом ряду занимают проф. Д.И.Воскресенский и его коллеги: проф. В.С.Филиппов, проф. В.Л.Гостюхин и др. В последнее время разновидности практи
- A -ческих конструкций и область применения МП ИС заметно расширились. Теоретические исследования были направлены, с одной стороны, на применение более строгих методов решения соответствующих электродинамических задач с учетом дополнительных возможностей современной вычислительной техники, а с другой - на построение более полных (хотя иногда и более сложных) физических моделей МП ИС, учитывающих принципы действия и особенности практического исполнения.
Имеется несколько подходов к рассмотрению МП ИС, однако общего, универсального метода не существует, что определяется большим разнообразием форм элементарных излучателей [Л9]. И если дисковый излучатель допускает в принципе подход с разделением переменных (гл.2, [19,20,21]),то прямоугольный излучатель - только приближенное разделение переменных, а кроме того, здесь исследователи встречаются с нерешенной проблемой дифракции на четвертьплоскости [Л9].
Исторически первым типом МП излучателя был, повиди-мому, прямоугольный излучатель [Л6-Л10], который представляет собой классический пример конечной структуры [Л 10]. Строгого решения такие задачи не имеют и получение пригодного решения зависит от квалификации исследователя. Для резонансного случая развит метод резонансного знаменателя Фредгольма [ЛИ,Л12], позволяющий получить решение с наперед заданной точностью. Строгое решение для ключевой (полубесконечной) структуры было получено сравнительно недавно [Л 12], а именно оно позволяет глубоко разобраться в физике явлений, без чего невозможно получить сколько-нибудь осмысленные результаты. Одним из таких результатов является зависимость резонансной длины прямоугольного МП излучателя от его ширины [Л9]. Другим принципиальным моментом строгого решения ключевой задачи является двоякая реакция (емкостная и индуктивная) открытого конца МП линии, являющегося основой для построения теории как прямоугольного МП излучателя, так и дискового (на высших типах колебаний по азимуту) (см. п.2.3, [24-26]). Без учета результатов строгой теории дифракции волны при ее косом набегании на открытый конец ключевой структуры невозможна правильная интерпретация результатов любых численных и численно-аналитических методов. Большую группу методов анализа МП излучающих структур составляют численно-аналитические методы прикладной электродинамики, в частности, метод полуобращения, последовательно развиваемый харьковскими радиофизиками. Большой вклад в развитие одного из вариантов метода полуобращения - операторного метода, внесли академик НАН Украины Л.Н.Литвиненко, проф. С.Л.Просвир-
- 5 -нин, академик HAH Украины В.П.Шестопалов, их коллеги и ученики [Л 13,Л14]. Так, использование спектрального подхода в теории дифракции волн позволило построить строгий численно-аналитический метод, дающий возможность единообразно строить решения задач дифракции волн на периодических и ограниченных плоских экранах [Л 14]. Применительно к теории АР, в том числе полосковых, спектральный метод развит в работах А.Ф.Чаплина [Л15] и в [Л16-Л18]. Однако алгоритмы расчета даже отдельных излучающих элементов, основанные на строгих методах, зачастую оказываются очень сложными и, кроме того, имеются трудности принципиального характера, например, отсутствие в настоящее время численно-аналитического метода решения задачи дифракции волн на прямоугольной пластине и ленте (щели) конечной ширины [Л11.Л12].
Интересным и эффективным подходом к анализу МП ИС является метод тензорных функций Грина, широко используемый за рубежом, но, к сожалению, не нашедший широкого распространения в нашей стране [Л19.Л20]. Метод тензорных функций Грина в определенной степени формален, что затрудняет его использование в «инженерной» практике. Некоторые сходные по своей идеологии подходы нашли свое применение при анализе сложных многослойных структур, включающих слои с анизотропными свойствами [Л21,Л22], которые находят самое широкое применение в теории и технике объемных интегральных схем СВЧ и КВЧ [Л21Д23-Л25].
В [Л16,Л18,Л19,Л26] показано, что существенного упрощения в электродинамическом описании МП ИС удается достичь при использовании приближения заданного распределения плотности поверхностного тока на излучателях, однако обоснование применимости приближения заданного тока в электродинамической теории МП ИС в литературе практически отсутствует.
Одной из важных проблем в теории и практике МП ИС является учет конечных размеров подстилающей поверхности. Первые работы по учету конечных размеров подложки выполнены в приближении геометрической теории дифракции [Л27.Л28]. Новые теоретические и экспериментальные результаты содержатся в [Л29.Л31].
Следует отметить, что традиционно до настоящего времени основная частотная область использования излучающих полосковых и МП структур, в частности, А и АР, - это сантиметровый и миллиметровый диапазоны длин волн.
Таким образом, совершенствование современных СПР УКВ диапазона общего и специального назначения выдвинуло в области теории и техники малогабаритных низкопрофильных И С ряд актуальных задач.
Цель работы - разработка и исследование электродина мических моделей полосковых излучающих структур, методо электродинамического анализа характеристик излучения учетом влияния ограниченных размеров подстилающей повер хности и краевых эффектов, создание на их основе комплекс программ автоматизированного проектирования и расчета пер спективных малогабаритных низкопрофильных излучателей антенных решеток.
Решение научной проблемы, связанной с поставленно целью, включает в себя следующие задачи:
-
Создание эффективных моделей двумерных полосковы ИС на электродинамическом уровне строгости.
-
Обоснование применимости приближения заданног распределения плотности поверхностного тока в электроди намической теории МП ИС.
-
Решение краевой задачи в строгой электродинами ческой постановке о распределении электромагнитного пол в структурах, электродинамические свойства которых близк к свойствам МП ИС с элементарными излучателями в вид тонкой ленты и круглого тонкого диска.
-
Получение и обоснование математических моделе дискового полоскового излучателя при осесимметричном ВОс буждении и одиночного прямоугольного излучателя на I и 1 модах тока.
-
Учет краевых эффектов в двумерных полосковых стру* турах.
-
Исследование излучения МП антенных структур н подложках ограниченных размеров, изучение взаимодействи элементов в многоэлементных МП ИС.
-
Экспериментальное моделирование перспективны полосковых излучающих структур и антенных решеток.
Метод исследования. Основные теоретические резуль таты работы базируются на строгих методах электродинами ки, аппарате тензорных функций Грина, методах математи ческой физики и вычислительной математики (метод интег ральных уравнений и их систем в сочетании с методом Бубне ва-Галеркина). Использован спектральный метод: функци Грина, поле излучения, плотность тока представлены в вид разложений в интегралы Фурье и Фурье-Бесселя.
Научная новизна работы состоит в разработке электро динамических моделей полосковых ИС, последовательном раз витии методов полуобращения оператора краевой задачи приближения заданного распределения тока применительно двумерным задачам о МП ИС, учете краевых эффектов, иссле довании характеристик излучения МПА на подложках ограни ченных размеров, что позволило создать ряд оригинальны малогабаритных низкопрофильных излучателей с улучшенным
- 7 -электрическими и массо-габаритными характеристиками для СПР УКВ диапазона. Развитые теоретические модели и методы математического моделирования пригодны также для антенн СВЧ и КВЧ.
Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать новые научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Эффективные на электродинамическом уровне строгости математические модели двумерных МП ИС, пригодные для включения в соответствующие САПР.
-
Доказательство применимости приближения заданного распределения плотности поверхностного тока в электродинамической теории МП ИС; оценка точности результатов.
-
Строгое электродинамическое решение краевой задачи о распределении электромагнитного поля в структурах, электродинамические свойства которых близки к свойствам МП ИС с элементарными излучателями в виде тонкой ленты и круглого тонкого диска.
-
Эффективные математические модели дискового пол-оскового излучателя при осесимметричном возбуждении и одиночного прямоугольного излучателя на I и II модах тока.
-
Предложение, обоснование и разработка методики учета взаимного влияния элементов в системе из дисковых малогабаритных низкопрофильных излучателей на осесиммет-ричной моде тока и АР из прямоугольных МП излучателей.
-
Методика и результаты оценки влияния обрыва экрана и подстилающей поверхности в виде диэлектрического слоя на характеристики излучения широкого класса МП ИС.
-
Пакет прикладных программ анализа и расчета основных характеристик МП ИС и устройств на их основе, являющихся базой для создания САПР полосковых излучающих структур.
-
Схемотехнические решения перспективных малогабаритных низкопрофильных излучателей для дуплексных систем связи УКВ диапазона, а также полосковая сканирующая АР УКВ диапазона с устройством управления ДН по заданному алгоритму для ПСС и многолучевая кольцевая АР для СПР с повышенной помехозащищенностью и возможностью сканирования лучом в азимутальной плоскости.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:
соответствием (адекватностью) разработанных и исследованных электродинамических моделей изучаемым физическим процессам;
использованием обоснованных в теории и на практике методов расчета МП ИС;
подтверждением ряда теоретических результатов проведенными экспериментальными исследованиями;
соответствием приведенных результатов их известные аналогам и необходимым переходам к ключевым задачам;
разработками практических конструкций низкопрофильных малогабаритных излучателей с реальными рабочими параметрами и проверкой разработанных устройств по научно-технической, конструкторско-технологической и экономической эффективности внедрения в производство.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке математических, физических и расчетньо моделей, более полно, чем существующие, отражающих электродинамические свойства МП ИС и пригодных для примененш в задачах анализа и синтеза полосковых структур и устройств на их основе;
в получении оригинальных аналитических решений, т основе которых построена обоснованная и эффективная методика «инженерных» расчетов МП ИС;
в обосновании применимости приближения заданногс распределения плотности поверхностного тока в электродинамической теории МП ИС, позволяющего более эффективнс исследовать полосковые структуры с оценкой точности результатов;
в разработке математических моделей, алгоритмов \ программ расчета излучателей, имеющих осесимметричную ДІ-с максимумом, близким к плоскости излучателя;
в изучении влияния конечности экрана и диэлектрической подложки на характеристики излучения полосковых излучателей, в частности дисковых антенн, которые могут бьіті использованы на подвижных объектах связи;
в создании и внедрении методики учета взаимодействие отдельных излучателей в малоэлементной АР;
в разработке схемотехнических решений перспективны) малогабаритных низкопрофильных излучателей для дуплексные СПР УКВ диапазона, полосковой сканирующей АР для ПО связі с устройством управления ДН по заданному алгоритму и многолучевой кольцевой АР с повышенной помехозащищенностью \ возможностью сканирования лучом.
Технические решения на малогабаритные излучатели \ построенные на их основе антенные системы защищены 9 па тентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Полученные в диссертационной работе результаты используются при разработке АВУ в системах подвижной радио связи как специального, так и общего назначения.
Реализация результатов и предложения об использова нии, Результаты диссертационной работы внедрены и наїшп практическое использование на ряде предприятий оборонної
- з —
и радиотехнической промышленности. Основные результаты использовались в Воронежском НИИ «Вега» при проведении НИОКР «Айва 2К», «Аргунь», «Акведук», «Сапфир», «Репетиция», «Астра-К», «Астра-КМ», «Кавказ-9» и ряда других, выполненных в соответствии с Постановлением Инстанций, и внедрении этих НИОКР в серийное производство на базе акционерного общества «Электросигнал». В настоящее время НИИ «Вега» выполняет опытно-конструкторскую разработку «К-7М10» в соответствии с решением Инстанций от 25.08.89 №342, в которой результаты диссертационной работы явились основой при проектировании АВУ разрабатываемой СПР.
Так для ПО СПР используются антенные устройства, разработанные по А.с. №1756993, №1775772. Для стационарных и центровых узлов связи реализуется патент №1827044.
Антенная система для ПО строится по принципу, изложенному в А.с. №309306.
При построении антенных устройств изделия «Кавказ— 9», включающего в себя РТ-4, РТ-5, РТ-8, РТ-9, реализовано А.с. №1778827.
На основе разработанных алгоритмов и программ расчета АСУ проведена модернизация ряда идущих в серийном производстве изделий, в частности, антенных устройств изделий «Альфа», что повысило их надежность, а также значительно снизило трудоемкость регулировочных работ.
Все серийно выпускаемые изделия успешно эксплуатируются на объектах Заказчика.
Тематика проводимых исследований и выполненных разработок соответствует Решению Инстанций, от 03.06.85 за №563-173 по темам «Айва 2К», «Аргунь», от 19.06.86 за №741-208 по теме «Акведук», от 27.04.89 за №73 по теме «Сапфир», от 22.07.83 за №678-212, от 08.05.84 за №142, от 03.12.87 за №565 и приказам Министерства от 17.03.84 за №262, от 30.12.87 за №592 по теме «Кавказ-9», от 25.09.89 за №342 по теме «К-7М10» и ряду других.
Теоретические и практические результаты диссертации внедрены в НИИ «Вега» (г. Воронеж), АО «Электросигнал» (г. Воронеж), НПВФ «Банкомсвязь» (г. Киев), Радиоастрономическом институте НАН Украины (г. Харьков), службах эксплуатации в/ч 32152, в/ч 11232. Суммарный годовой экономический эффект составил 1,336 млн.руб. (в ценах 1990-1991 года), что подтверждено актами о внедрении.
Открытые результаты работы нашли применение в учебном процессе Уральского государственного технического университета им. С.М.Кирова в лекционных курсах «Техническая электродинамика», «Фазированные антенные решетки», при курсовом и дипломном проектировании, а также в аналогичных курсах в Московском институте радиотехники, электроники и
-10-связи (техническом университете).
Внедрение результатов диссертационной работы и продолжение работ по развитию электродинамических методов анализа и синтеза полосковых излучающих структур, созданию конформных антенных устройств следует рекомендовать в АО «Электросигнал», НПО «Заря», ФСК, ФАПСИ, Министерстве обороны, ВГУ, УГТУ, Харьковском Радиоастрономическом институте НАН Украины и ряде других институтов и организаций.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
Научно-практич. конф. «Интегральные волноводные и полосковые СВЧ элементы систем связи» (Куйбышев, 1987);
Республ. науч.-техн. конф. «Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости» (Винница, 1987);
XVI, XVII отраслевых науч.-техн. конф. (Воронеж, 1987-1989);
Всес. науч.-техн. конф. «Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств и обработки сигналов» (Горький, 1989);
VII Всес. науч.-техн. конф. «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры» (Ленинград, 1989);
III Всес. науч.-техн. конф. «Математическое модели
рование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных
интегральных схемах» (Суздаль, 1989);
V Всес. школе-семинаре «Математическое моделирование, САПР и конструктивно-технологическое проектирование ОИССВЧ и КВЧ диапазонов» (Тула, 1990);
Международном симпозиуме «Разработка и использование персональных ЭВМ - ИНФО 89» (Минск, 1989);
31, 46-й Всесоюзных научных сессиях, посвященных Дню радио (Москва, 1976, 1991);
Межрегиональной науч.-техн. конф. «Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования» (Ленинград, 1991);
IV Всес. науч.-техн. конф. «Математическое моделиро
вание и САПР радиоэлектронных вычислительных систем СВЧ и
КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС)» (Волгоград,
1991);
« Progress in Elektromagnetics Research Symposium » (Cambridge, Massachusetts, 1991, USA);
науч.-техн. конф. «Функциональные электродинамические системы и элементы» (Саратов, 1988);
II Всес. науч.-техн. конф. «Устройства и методы прикладной электродинамики» (Одесса, 1991);
— a —
науч.-техн. конф. «Методологические, информационные и изобретательские аспекты научных исследований в области создания объемных интегральных схем (ОИС) СВЧ и КВЧ» (Тула, 1991);
Всес. науч.-техн. семинарах «Технические средства обеспечения ЭМС подвижной службы связи» (Севастополь, 1988-1991);
XXVI науч.-техн. конф. по теории и технике антенн
(НИИ радиофизики им. акад. А.А.Расплетина (Москва, 1990);
семинаре-конф. в Государственном оптическом институте (Казань, 1991);
Региональном совещании «Математическое моделирование и САПР устройств СВЧ на микрополосковых структурах» (Таганрог, 1991);
Всес. науч.-техн. конф. «Современные проблемы фазо-измерительной техники и ее применение» (Красноярск, 1989);
VI Межгосударств, школе-семинаре «Техника, теория, математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (ОИС) СВЧ и КВЧ» (Москва, 1992);
Всероссийском семинаре-совещании «Системы сверхбыстрой обработки информации (ССОИ) на СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС) (Псков.-Пушкинские горы, 5-Ю июня, 1993);
XXVII науч.-техн. конф. по теории и технике антенн
ТТА «94» (АООТ «Радиофизика», Москва, 1994).
Публикация результатов работы. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 72 научных трудах, изданных центральными и республиканскими издательствами, вошедшими в списки, утвержденные ВАК РФ. Среди опубликованных работ - 3 монографии, 2 учебных пособия, 9 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 24 статьи.
Структура и объем диссертации. Диссертация оформлена
в двух томах: основной и приложения. Основной том состоит
из предисловия, введения, шести глав, заключения, списка
использованной литературы (167 наименований), содержит 251
стр. основного текста, 142 рисунка на 141 стр. список
литературы на 17 стр. Дополнительный том состоит из пяти
приложений, включая акты внедрения, содержит стр.
то ТСС X я
