авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Электродинамические модели и исследование фар из продольных микрополосковых излучателей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мушников Валентин Вячеславович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФАР ИЗ

ПРОДОЛЬНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.12.07 «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог 2008

Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств

Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.А. Обуховец

(Технологический институт ЮФУ в г. Таганроге)

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Заргано Геннадий Филиппович

(ЮФУ, г. Ростов - на - Дону)

Доктор технических наук, профессор

Мануилов Борис Дмитриевич

(Ростовский Военный институт ракетных войск, г. Ростов - на - Дону)

Ведущая организация:

ФГУП «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи»

г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится 18 сентября 2008 г. в 1420 в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу:

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке

Южного федерального университета.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу:

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928,

ТТИ ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20

Автореферат разослан « 31 » июля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., доц. В.В. Савельев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из важнейших элементов РЭА является антенная система. В тех случаях, когда требуется получить хорошие направленные свойства и эффективно управлять ДН антенной системы, применяются фазированные антенные решетки. При работе с малыми и средними уровнями мощности наиболее подходящими излучателями ФАР, с точки зрения массогабаритных и стоимостных параметров, являются микрополосковые антенны.

Наряду со всеми своими преимуществами классические планарные МПА обладают и одним серьезным недостатком – в силу резонансного характера планарные МПА и решетки из них узкополосны, относительная полоса рабочих частот таких антенн составляет доли и единицы процентов. Если требуется более широкая рабочая полоса частот (20 % и выше), то на смену классическим поперечным излучателям приходят широкополосные и сверхширокополосные печатные антенны продольного излучения, а так же комбинированные варианты конструкции продольного и поперечного излучателей. ФАР из продольных излучателей кроме своей широкополосности обладают еще одним немаловажным преимуществом - это возможность сканирования лучом ДН во всей верхней полусфере.



Применение продольных излучателей для построения ФАР сопровождается необходимостью разработки новых методик, моделей и алгоритмов расчета таких излучателей.

Актуальность исследований, ведущихся в этом направлении, очевидна. Разработанные адекватные модели, алгоритмы синтеза и анализа комбинированных микрополосковых излучателей ФАР станут полезным инструментом для инженеров – проектировщиков РЭА, позволяющим достоверно моделировать характеристики излучения и согласования излучателей ФАР без предварительного макетирования.

Целью диссертационной работы является:

Разработка универсального алгоритма анализа характеристик антенных решеток из комбинированных микрополосковых излучателей (коэффициента отражения, входного сопротивления, КСВ, диаграммы направленности излучателя в составе ФАР, поляризационной матрицы рассеяния ОАР), позволяющего с учетом конструктивных особенностей с высокой точностью промоделировать излучатели в составе решетки.

В диссертационной работе решаются задачи:

­- рассеяния плоской электромагнитной волны на периодической плоской АР микрополосковых продольных и поперечных элементов на основных поляризациях падающего ЭМ поля;

- сосредоточенного возбуждения продольного элемента периодической плоской ФАР при помощи полоскового фидера;

- проведения численных экспериментов для определения возможности фокусировки СВЧ-излучения посредством фазокорректирующего плоского рефлектора, выполненного на основе печатной решетки поперечно ориентированных элементов;

- численного исследования с помощью разработанной математической модели ФАР продольных печатных излучателей на основе микрополосковых вибраторов с согласующими шлейфами, а также щелевых антенн Вивальди;

Научная новизна работы заключается в следующем:

в диссертации разработана математическая модель для анализа фазированных и отражательных антенных решеток из комбинированных излучателей, состоящих из пластинчатых МПЭ, расположенных в плоскости раскрыва решетки, и вертикально-ориентированных к этой плоскости продольных МПА, расположенных произвольно в пределах ячейки ФАР (ОАР).

Решена задача по определению электродинамических характеристик ФАР из комбинированных печатных элементов, на боковых поверхностях которых определены векторные плотности магнитных и электрических токов, текущих, как в поперечных, так и продольных плоскостях микрополосковой антенной решетки.

Практическая ценность проведенного исследования заключается в том, что созданы алгоритм и эффективная программа для ЭВМ, позволяющая рассчитывать основные электродинамические характеристики для проектирования антенных решеток с комбинированными излучателями с учетом влияния фидера: коэффициент отражения, входное сопротивление, КСВ, диаграмму направленности излучателя в составе ФАР, поляризационную матрицу рассеяния ОАР.

По результатам проведенных вычислительных экспериментов определены параметры периодической структуры и согласующего устройства (реактивные шлейфы в линии питания излучателя), при которых обеспечивается согласование ФАР в широком секторе углов сканирования и значительном диапазоне частот, что нашло подтверждение проведенными измерениями характеристик согласования лабораторных макетов.

Разработанные алгоритм и программа позволяют определить все составляющие ЭМП в ближней и дальней зонах фазированной антенной решетки.

Внедрение результатов работы. Изложенные в диссертации результаты исследований использованы в:

- ОКР ОАО НПО “Алмаз”;

- госбюджетной НИР 11055 «Разработка методов моделирования и алгоритмов синтеза радиоэлектронных средств для информационно-телекоммуникационных систем повышенной эффективности»;

- учебном процессе кафедры Антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге: разделами диссертации дополнены разделы курса лекций «Антенны и устройства СВЧ» и лабораторные работы по дисциплине «Антенны» для специальностей «Радиофизика и электроника», «Радиотехника», «Средства радиоэлектронной борьбы»;

- разработках ФГУП «ТНИИС».

Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.

Обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется тем, что для разработки математических моделей использованы апробированные методы решения электродинамических задач. Достоверность полученных результатов и алгоритмов подтверждается проверкой с помощью тестов и сравнением с результатами других работ и результатами эксперимента.

Апробация диссертационной работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, а также на научно-практических и студенческих конференциях ТРТУ, в том числе: Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн – ИРЭМВ – 2005», Таганрог, 20-25 июня 2005 г.; Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн – ИРЭМВ – 2007», Таганрог, 25-30 июня 2007 г.;

Были приняты к устному представлению и опубликованы полные тексты докладов на Международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и ученых Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2006», Севастополь, 2006 г. и на 16-й Международной Крымской Конференции "СВЧ–техника и телекоммуникационные технологии" (CriMiCo’06), Севастополь, 2006 г. В соавторстве с научным руководителем и доцентом каф. АиРПУ Касьяновым А. О. опубликована коллективная монография в издательстве Радиотехника, 2007 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, 8 тезисов докладов и одна монография.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения и трех приложений. Работа содержит 178 с., в том числе 76 рисунков, 304 формулы и список литературы из 129 наименований на 8 с.

Основные положения, выносимые на защиту:

- решение задачи по определению поля в апертуре и поляризационной матрицы рассеяния ОАР комбинированных МПЭ, возбуждаемых плоской ЭМ волной;

– решение задачи по определению поля в апертуре и комплексного коэффициента отражения в полосковом фидере ФАР продольных микрополосковых излучателей, работающей в режиме вынужденного возбуждения;

– результаты численных экспериментов для фокусирующей ОАР из поперечных элементов прямоугольной формы;

– результаты численных экспериментов для ФАР из широкополосных продольных печатных вибраторов с согласующими шлейфами, а также щелевых излучателей Вивальди;

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих методов анализа и моделирования микрополосковых антенн и антенных решеток (АР). Рассмотрены различные математические модели, описывающие такие АР. Дана оценка всех рассмотренных методов – отмечены достоинства и недостатки. На основе проведенного обзора сделан вывод о выборе метода поверхностных интегральных уравнений для построения электродинамической модели ФАР продольных и поперечных МПЭ, как наиболее подходящего с точки зрения универсальности топологии, вычислительных затрат и точности получаемых результатов.

Во второй главе на основе метода интегральных уравнений строится электродинамическая модель плоской микрополосковой отражательной антенной решетки комбинированных микрополосковых элементов, которые расположены эквидистантно в узлах прямоугольной системы координат и возбуждаются плоской волной.

Задачу можно сформулировать следующим образом: пусть имеется бесконечная идеально проводящая плоскость, на этой плоскости располагается слой магнитодиэлектрика конечной толщины , состоящего из периодически чередующихся пластин двух типов с разными в общем случае электродинамическими параметрами. На поверхности такой составной подложки, а так же в ее слое на боковой поверхности пластин в узлах двоякопериодической бесконечно протяженной сетки с прямоугольной формой ячейки напечатаны идеально проводящие микрополосковые элементы произвольной формы. Элементы, расположенные на боковой поверхности пластин перпендикулярно экрану, будем называть продольными элементами, а элементы, расположенные на подложке параллельно экрану, будем называть поперечными. , - периоды решетки вдоль осей и соответственно (рисунок 1).





Элементы такой решетки возбуждаются плоской волной произвольной поляризации. Источники возбуждающей волны расположены области , занимающей часть области . Область занимает все верхнее полупространство . А область представляет собой бесконечно протяженный слой составного диэлектрика при . Пунктирной линией на рисунке выделена область единичной ячейки называемая каналом Флоке.

  Постановка задачи Необходимо-12

Рисунок 1 – Постановка задачи

Необходимо определить распределение векторной поверхностной плотности магнитного тока на свободной от микрополосковых элементов поверхности решетки в плоскости , т. н. апертуре решетки, и электрического тока на поверхности продольных элементов, а через них рассчитать рассеянное решеткой поле.

Поставленная задача решается методом интегральных уравнений. Основой для записи этих уравнений служит лемма Лоренца в интегральной форме для областей , , граничные условия для касательных компонент полей на границе раздела областей , а также на идеально проводящей поверхности продольного элемента.

В результате применения указанных граничных условий получается система из четырех скалярных интегральных уравнений (1) относительно двух компонент магнитного тока апертуры и двух компонент электрического тока на поверхности продольных элементов.

(I) (II) (1)

(III)

(IV)

в (1) обозначено:

, - искомые компоненты поверхностной плотности магнитного тока апертуры решетки и электрического тока на продольном элементе, соответственно;

, - компоненты полей вспомогательных источников в виде элементарных магнитных вибраторов, расположенных в областях , и ориентированных соответственно (попарно) вдоль осей и ;

, - компоненты полей вспомогательных источников в виде элементарных электрических вибраторов, расположенных в области и ориентированных соответственно (попарно) вдоль осей и ;

Вспомогательные источники представляют собой элементарные электрические и магнитные вибраторы. Вид и ориентация вспомогательного источника выбираются в зависимости от того, на какие составляющие векторов напряженностей полей накладываются граничные условия и какие компоненты векторов поверхностных токов нужно определить. Так, например, при определении поверхностной плотности магнитного тока на свободной от микрополосковых элементов поверхности решетки в плоскости , в качестве вспомогательного источника в областях и , а так же стороннего источника в области удобно выбирать элементарный магнитный вибратор. При определении же распределения поверхностной плотности электрического тока на продольных элементах в роли вспомогательного источника следует выбрать элементарный электрический вибратор.

Ядро системы интегральных уравнений (1) составляют вспомогательные электрические и магнитные поля, для нахождения которых решается ряд вспомогательных задач.

Вспомогательные поля должны удовлетворять неоднородному уравнению Гельмгольца в областях и причем, граница раздела областей и считается полностью металлизированной

Вспомогательные поля в области получаются из решения задачи возбуждения элементарным магнитным вибратором полупространства . При решении подобной задачи нужно учесть наличие идеально проводящего экрана в плоскости , при помощи метода зеркального источника.

Для определения компонент вспомогательных полей в области необходимо решить неоднородные уравнения Гельмгольца при металлизации всех отверстий связывающих области , и при отсутствии продольных МПЭ. Таким образом, необходимо решить задачу возбуждения элементарным магнитным вибратором плоскопараллельного волновода.

После того, как определены все вспомогательные поля, применяется условие периодичности структуры и преобразование Пуассона. Благодаря этому решение задачи удается свести к определению токов в пределах одной центральной ячейки, которыми и ограничиваются пределы интегрирования в полученной системе интегральных уравнений. А влияние бесконечного окружения таких же ячеек на центральную ячейку учитывается в функциях Грина, представляющих собой бесконечные ряды по пространственным гармоникам (гармоникам Флоке) (2).

(2)

Полученная система интегральных уравнений решается численно. Методом Галеркина система интегральных уравнений сводится к СЛАУ (3) относительно комплексных амплитуд разложения искомых токов по системе базисных функций. При этом в качестве базисных и пробных функций выбраны функции в виде треугольных призм. Эти функции представляют собой произведение треугольных импульсов вдоль направления протекания тока на прямоугольные импульсы в перпендикулярном направлении.

. (3)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.