Разреженные сканирующие антенные решетки с детерминированным и случайным расположением излучателей в плоскости раскрыва

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Разреженные антенные решетки (РАР) применяются как высоконаправленные антенные системы с уменьшенным числом излучателей по сравнению с неразреженными антенными решетками (НРАР) при такой же ширине главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Основное их достоинство по сравнению с неразреженными решетками - уменьшенное число излучателей и стоимость. Недостаток - уменьшенный коэффициент направленного действия. Области применения РАР: радиоастрономия, радиолокация, радиосвязь, радионавигация. Несмотря на сравнительно большое число публикаций в виде статей по разреженным антенным решеткам, ряд вопросов требует дополнительного исследования. В связи с этим диссертационная работа посвящена анализу и оптимизации разреженных антенных решеток различного типа. Анализ выполнен с помощью разработанной автором программы, реализующей разработанную автором численную модель. Для моделирования отдельных излучателей и малоэлементных антенных решеток использовались также коммерческие программы электродинамического моделирования AWR и CST.

Численная модель разреженной неэквидистантной антенной решетки и программа ее моделирования, разработанные автором, отличаются от известных программ CST, FEKO, HFSS расширенными возможностями.

В диссертации описываются также новые варианты микрополосковых излучателей для разреженных антенных решеток некоторых типов.

Связь работы с научными программами (проектами), темами

Результаты диссертации использованы в ОАО «АЛЕВКУРП» (г. Минск) при разработке и изготовлении приемной разреженной антенной решетки Х-диапазона с параллельным обзором в рамках ОКР «Василек» подпрограммы «Радиоэлектронная и оптоэлектронная аппаратура специального и двойного применения» государственной научно-технической программы «Разработка и освоение в производстве нового поколения радиоэлектронной и оптико-электронной аппаратуры, приборов и систем общепромышленного, специального и двойного применения, бытовой радиоэлектронной техники» (Радиоэлектроника - 2) по договору № РС 19 от 16 декабря 2011 года. ОАО «АЛЕВКУРП» входит в холдинг «Системы радиолокации», работающий по заказам ГВПК Республики Беларусь. Управляющей компанией холдинга является ООО «КБ РАДАР» (Минск).

Цель и задачи исследования.

Цель диссертации - провести численные исследования разреженных антенных решеток и получить результаты, подробно описывающие закономерности в зависимости электрических характеристик и параметров решеток от их геометрических параметров и облегчающие выбор типа разреженной антенной решетки и решение задачи оптимизации ее параметров по критерию параметров диаграммы направленности и коэффициента направленного действия (КНД).

Основные задачи диссертации, вытекающие из цели:

1. Разработать численную модель антенной решетки и реализующую ее программу, позволяющие:

? численно моделировать плоские двумерные разреженные антенные решетки различного типа и с различной формой раскрыва;

? задавать различные законы возбуждения излучателей по амплитуде и фазе;

? учитывать взаимодействие типовых излучателей в составе решетки;

? рассчитывать диаграмму направленности, входное сопротивление и КНД решетки;

? учитывать случайные ошибки различного типа;

? рассчитывать случайные реализации решетки со случайным расположением излучателей, а также средние значения диаграммы направленности и КНД при наличии случайных ошибок возбуждения;

? обеспечить существенное сокращение времени расчета и требований к объему оперативной памяти компьютера.

2. Получить численные результаты моделирования разреженных антенных решеток различного типа, описывающие основные закономерности в зависимости электрических параметров решеток от их геометрических параметров, облегчающие выбор типа разреженной антенной решетки по заданным требованиям к ее характеристикам и параметрам и проведение ее оптимизации по заданным критериям путем перебора исходных данных и последующего расчета характеристик и параметров.

Объект исследования ? разреженные неэквидистантные антенные решетки.

Предмет исследования - закономерности в зависимости электрических характеристик и параметров решеток от их геометрических параметров и законов возбуждения излучателей.

Научная новизна.

1. В отличие от численных моделей, использованных в известных программах электродинамического моделирования FEKO, CST, HFSS, разработанная в диссертации численная модель описывает решетку с разной формой раскрыва, разреженную тремя способами, учитывает случайные ошибки различного типа и наличие дефектных излучателей, а также позволяет сократить время решения задачи численного моделирования антенной решетки в 10-100 раз при числе излучателей в решетке 100-1000.

2. Разработан ряд микрополосковых излучателей с повышенной направленностью для применения в несканирующих разреженных антенных решетках, обеспечивающих согласование в полосе частот 10-20 % от средней частоты, что на 5-10 % больше, чем для подобных излучателей, описанных в литературе.

3. Получены новые закономерности для разреженных неэквидистантных антенных решеток с различной формой раскрыва - прямоугольной, эллиптической, многоугольной. Определены допустимые пределы разрежения решетки по критерию роста боковых лепестков и уменьшения КНД.

4. При допустимом росте боковых лепестков (остатков, подавленных за счет введения неэквидистантности побочных главных лепестков) до минус 10 дБ число излучателей в решетке, разреженной по детерминированному закону, для сектора сканирования ±50о можно уменьшить в 2-2,5 раза при равномерном амплитудном распределении и в 4 раза ? при спадающем к краям решетки амплитудном распределении. При этом КНД в этих двух случаях за счет разрежения уменьшается на 4-5 дБ.

5. Впервые исследовано влияние дефектных излучателей на характеристики и параметры неэквидистантной решетки с детерминированным размещением излучателей в апертуре. Показано, что наличие дефектных излучателей слабо влияет на параметры диаграммы направленности, но существенно влияет на КНД.

6. Проведен детальный анализ разреженных неэквидистантных случайных антенных решеток двух типов. Тип 1 - решетка, получаемая из эквидистантной путем удаления части излучателей по случайному закону. Тип 2 - решетка, получаемая из эквидистантной путем смещения излучателей в плоскости апертуры по случайному закону.

Для антенных решеток типа 1 показано, что с ростом числа удаленных излучателей () максимальный уровень боковых лепестков решетки () и ширина главного лепестка решетки (2и0,5) практически не меняются. Это наблюдается как для средней ДН, так и для отдельных случайных реализаций ДН. Коэффициент направленного действия уменьшается с ростом Nd.

Показано, что в решетках типа 1 с разной формой раскрыва при нулевом угле сканирования и одинаковых габаритных размерах антенная решетка с круглым раскрывом имеет преимущества по величине КНД по сравнению с решетками, имеющими прямоугольный, 6- или 8-угольные раскрывы. Однако при сканировании преимущество имеет решетка с прямоугольным раскрывом.

По уровню боковых лепестков при тех же условиях и всех углах сканирования преимущество на стороне 8-угольной решетки, причем с ростом угла сканирования это преимущество растет и составляет 3-4 дБ по сравнению с решеткой с круглым раскрывом и 7-8 дБ по сравнению с решеткой с прямоугольным раскрывом.

Показано, что для получения разреженной антенной решетки типа 1 из эквидистантной решетки путем удаления части излучателей по случайному закону необходимо в исходной эквидистантной решетке выполнить условие единственности главного лепестка нулевого порядка при сканировании в заданном секторе углов. Если это условие не выполнено, то введение неэквидистантности не компенсирует побочные главные лепестки. Это свойство ранее в литературе описано не было.

Показано, что при изменении числа удаленных излучателей от 0 до 80 % параметры диаграммы направленности почти не меняются, но КНД уменьшается. Уменьшение КНД растет с ростом угла сканирования. При нулевом угле сканирования уменьшение КНД в решетке с 8-угольным раскрывом на 3 дБ меньше, чем в решетке с прямоугольным раскрывом.

7. Для разреженных решеток типа 2 показано, что введение неэквидистантности в разреженную эквидистантную решетку путем смещения излучателей в плоскости раскрыва на величины и приводит к уменьшению побочных главных лепестков. Эти смещения имеют оптимум, соответствующий минимуму дифракционных боковых лепестков (остатков от побочных главных лепестков). Причем этот минимум не зависит от угла сканирования. Минимум боковых лепестков решетки типа 2 после введения неэквидистантности почти не зависит от амплитудного распределения и составляет примерно -20…-25 дБ.

Сравнение неэквидистантных случайных решеток типа 1 и 2 по различным критериям показало, что эти решетки почти эквивалентны:

- по возможности их разрежения;

- по возможности сканирования;

- по степени влияния случайных ошибок возбуждения излучателей по амплитуде и фазе.

Показано, что в разреженных решетках при введении неэквидистантности путем случайного смещения излучателей уменьшение числа излучателей на 80-90 % приводит к уменьшению КНД на 10-12 дБ. При этом побочные главные лепестки ДН подавляются на 15-10 дБ. По этим критериям антенные решетки со случайным расположением излучателей имеют существенные преимущества по сравнению с решетками, разреженными по детерминированному закону.

Положения, выносимые на защиту.

1. Численная модель антенной решетки, отличающаяся:

? возможностью численно моделировать плоские двумерные разреженные антенные решетки различного типа с различной формой раскрыва;

? учитывать взаимодействие типовых излучателей в составе решетки;

? учитывать случайные ошибки различного типа;

? рассчитывать случайные реализации решетки со случайным расположением излучателей, а также средние значения диаграммы направленности и КНД при наличии случайных ошибок возбуждения.

2. Результаты численного моделирования разреженных антенных решеток различного типа, описывающие основные закономерности в зависимости электрических характеристик и параметров решеток от их геометрических параметров, облегчающие выбор типа разреженной антенной решетки по заданным требования к ее характеристикам и параметрам и ее оптимизацию по заданным критериям.

3. Результаты разработки микрополосковых излучателей для разреженных не сканирующих эквидистантных решеток, отличающихся расширенной на 5-10 % полосой частот.

Личный вклад соискателя ученой степени.

В исследованиях, выполненных в соавторстве, вклад диссертанта заключался в непосредственном участии в работе на всех этапах исследований: в разработке численной модели и программы численного моделирования разреженных антенных решеток, в численных экспериментах, анализе результатов численного моделирования, физическом эксперименте.

Апробация диссертации и информация об использовании ее результатов

Результаты работы докладывались на следующих конференциях: XII
International Conference, dedicated to the 170th anniversary of the Lviv Polytechnic National University / TCSET - 2014 - Lviv-Slavske, Ukraine, 2014; 9-я международная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013», Севастополь, Украина, 2013; XXI международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2015)», Воронеж, Россия, 2015; X International Conference on Antenna Theory and Techniques, Proceedings, 21-24 April, 2015, Kharkiv, Ukrain; XXII международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2016»), Воронеж, Россия, 2016; IV Всероссийская конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ -2015», Санкт-Петербург, июнь, 2015; ХII Международная научно-техническая конференция «Физика и технические применения волновых процессов». Российская Федерация, Казань, сентябрь, 2015.

Опубликование результатов диссертации.

Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 3 статьи в материалах научно-технических конференций, тезисы 5 докладов в материалах научно-технических конференций.

С использованием программного обеспечения, разработанного автором на основе разработанной численной модели, были проведены расчеты и физические эксперименты, в результате чего был создан опытный образец разреженной антенной решетки по проекту «Василек», внедренный в производство открытого акционерного общества «АЛЕВКУРП», входящего в холдинг «Системы радиолокации» (Государственный военно-промышленный комитет Республики Беларусь).

Внедрение результатов исследований подтверждено соответствующими документами.

1. Численная модель антенной решетки, позволяющая в ее программной реализации обеспечить сокращение времени счета и требований к объему оперативной памяти за счет использования кластерной модели антенной решетки

Рассматриваются три способа разрежения антенной решетки, обеспечивающие подавление побочных главных лепестков диаграммы направленности (ДН).

Способ 1. Разрежение производится путем увеличения межэлементного расстояния от центра решетки к ее краям по детерминированному закону.

Способ 2. В эквидистантной антенной решетке, в которой выполнено условие единственности главного лепестка, удаляется часть излучателей по случайному закону.

Способ 3. В эквидистантной разреженной антенной решетке, в которой не выполнено условие единственности главного лепестка диаграммы направленности, излучатели смещаются с исходных мест в плоскости апертуры по случайному закону. Это приводит к «размыванию» побочных главных лепестков. Рисунок 1, а иллюстрирует схему размещения излучателей в разреженных антенных решетках, построенных по способу 2, рисунок 1, б - по способу 3. На рисунке 1, а крупными точками обозначены удаленные излучатели. В обоих типах число излучателей по осям в плоскости апертуры равно соответственно = 15, = 10.

антенный решетка излучатель разреженный

Рисунок 1. Схема размещения излучателей в разреженных решетках по способу 2 и 3

В диссертации исследуются решетки с различной формой апертуры - прямоугольной, эллиптической, 8-угольной и более сложной формы, что не рассматривалось в ранее публикованных работах по разреженным антенным решеткам. Кроме того, новым являются материалы моделирования в виде обнаруженных и не описанных ранее закономерностей в зависимости характеристик и параметров решеток, построенных по способам 1, 2 и 3, от геометрических параметров решеток и амплитудного и фазового распределений возбуждения излучателей. Реализованные на практике разреженные по случайному закону антенные решетки (случайные антенные решетки) являются случайными реализациями. Одному и тому же количеству удаленных излучателей в решетках, разреженных по способу 2 и 3, соответствует множество случайных реализаций. Все они отличаются значениями электрических характеристик и параметров. Выбор той или иной реализации по выбранным критериям (уровню боковых лепестков - УБЛ или по КНД) возможен, если можно рассчитать характеристики и параметры каждой случайной реализации. В известных работах по случайным решеткам анализ производится с использованием теории вероятности и находятся средние электрические характеристики (параметры) решеток и их флуктуации. В диссертации используется численный метод, который позволяет определить характеристики и параметры каждой реализации, а также их средние значения и флуктуации. Этим диссертационная работа также отличается от известных работ.

В численной модели для анализа параметров типовых излучателей (вибраторных, рамочных, микрополосковых) с учетом их взаимодействия используется метод интегральных уравнений. Учет взаимодействия между излучателями при анализе разреженных антенных решеток в ранее опубликованных работах не производился.

По численной модели разработана программа FAR_Multi, которая позволяет в отличие от известных работ численно моделировать одномодульные плоские антенные решетки с различной формой раскрыва: прямоугольной, 6-угольной, 8-угольной, эллиптической и более сложной. Расчет характеристик и параметров производится в заданном диапазоне частот.

Частью указанных свойств обладают известные коммерческие программы электродинамического моделирования FEKO, HFSS, CST, которые используют различные строгие и приближенные методы электродинамики, включая вычислительную электродинамику.

2. Разреженные неэквидистантные антенные решетки с детерминированным расположением излучателей в апертуре

Целью рассмотрения является исследование закономерностей в таких решетках, более подробное по сравнению с ранее опубликованными работами. В главе 3 описываются также результаты разработки новых вариантов построения полосковых излучателей, предназначенных для применения в эквидистантных разреженных антенных решетках, несканирующих или сканирующих в узком угловом секторе. Эти излучатели представляют собой малоэлементные микрополосковые решетки с последовательным и параллельным возбуждением излучателей. Разработаны малоэлементные антенные решетки с однослойной и двухслойной подложкой.

На рисунке 2 показаны некоторые варианты исследованных решеток. Цифрой «1» обозначен высокочастотный вход решетки.

Рисунок 2. Варианты излучателей для разреженных эквидистантных решеток

Некоторые результаты сравнения расчета в программе AWR и эксперимента представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимости КСВ от частоты и ДН на частоте 9,4 ГГц: а - зависимости КСВ от частоты; б - ДН на частоте 9,4 ГГц

Исследованы разреженные неэквидистантные антенные решетки с различной формой раскрыва - прямоугольной, эллиптической, многоугольной. Зависимость параметров ДН и КНД от степени разрежения решетки от центра к краю рассмотрена в литературе частично и только для решеток с прямоугольной формой раскрыва. Разреженные решетки с другой формой раскрыва - эллиптической, 6-угольной, 8-угольной в литературе не рассматривались, хотя эти решетки имеют более низкий уровень боковых лепестков (УБЛ). Определены допустимые пределы разрежения решетки за счет введения неэквидистантности по критерию роста боковых лепестков и уменьшения КНД. При допустимом росте боковых лепестков (остатков, подавленных за счет введения неэквидистантности побочных главных лепестков) до минус 10 дБ число излучателей в решетке, разреженной по детерминированному закону при секторе сканирования до 50о, можно уменьшить в 2-2,5 раза при равномерном амплитудном распределении и в 4 раза при спадающем к краям решетки амплитудном распределении. При этом КНД в этих двух случаях за счет разрежения уменьшается на 4-5 дБ. Исследовано влияние дефектных излучателей на характеристики и параметры разреженной неэквидистантной решетки с детерминированным размещением излучателей в апертуре. Показано, что наличие дефектных излучателей слабо влияет на параметры диаграммы направленности, но существенно - на КНД. Исследована зависимость характеристик и параметров неэквидистантной решетки от ширины главного лепестка ДН одного излучателя. Полученные зависимости облегчают выбор ширины главного лепестка ДН излучателя по критерию УБЛ или КНД.

3. Разреженные антенные решетки со случайным расположением излучателей в апертуре

В диссертации рассматриваются два типа случайных антенных решеток, показанных на рисунке 1, а (тип 1) и на рисунке 1, б (тип 2). Оба типа сравниваются между собой. На рисунке 4 для иллюстрации представлены зависимости ширины ГЛ ДН, УБЛ и КНД от числа излучателей вдоль осей и для решеток типа 1 и типа 2 при одинаковых размерах раскрыва и равномерном амплитудном и фазовом распределении.

Рисунок 4. Зависимости а, б, в для решеток типа 1 и типа 2 при одинаковых размерах раскрыва при равномерном амплитудном и фазовом распределении и одинаковым общим числом излучателей : а - Зависимость ширины главного лепестка ДН от числа излучателей вдоль осей и ; б - зависимость УБЛ от числа излучателей вдоль осей и ; в - зависимость КНД от числа излучателей вдоль осей и

Из рисунка 4 следует, что при постоянных размерах раскрыва ( ) и изменении числа излучателей вдоль каждого размера апертуры решетки от 17 до 55 уровень боковых лепестков меняется всего на 1 дБ в решетке типа 1 и на 0,2 дБ - в решетке типа 2. При этом общее число излучателей меняется более чем в 10 раз. КНД при этом меняется на 5,5 дБ - в решетке типа 1 и на 8 дБ - в решетке типа 2.

Таким образом, при разрежении решетки со случайным расположением излучателей в апертуре по критерию изменения УБЛ и КНД решетка типа 1 имеет преимущества перед решеткой типа 2. Разрежение таких решеток может достигать 80-90 %, если ориентироваться только на уровень боковых лепестков. Изменение КНД при удалении части излучателей в решетке типа 1 иллюстрирует рисунок 5. На нем приводятся результаты расчета КНД для решеток с тремя формами раскрыва при одинаковых габаритных размерах.

Рисунок 5. Зависимость КНД от числа удаленных излучателей при двух углах сканирования для трех форм раскрыва: 1 - прямоугольная форма; 2 - круглая форма; 3 - 8-угольная форма

Из проведенных исследований и рисунка 5 следует, что при нулевом угле сканирования по величине КНД преимущество имеет решетка с круглым раскрывом, а при увеличении угла сканирования преимущество переходит к решетке с прямоугольным раскрывом.

Приводится сравнение для двух типов случайных антенных решеток по параметрам сканирования, по чувствительности к случайным ошибкам возбуждения излучателей по амплитуде и фазе, по зависимости параметров решетки от формы раскрыва.

Показано, что для получения разреженной антенной решетки типа 1 из эквидистантной решетки путем удаления части излучателей по случайному закону необходимо в исходной эквидистантной решетке выполнить условие единственности главного лепестка нулевого порядка при сканировании в заданном секторе углов. Если условие единственности главного лепестка нулевого порядка не выполняется, введение неэквидистантности путем удаления части излучателей по случайному закону не приводит к уменьшению побочных главных лепестков ДН.

Показано, что введение неэквидистантности в разреженную эквидистантную решетку путем смещения излучателей в плоскости раскрыва на величины и (решетка типа 2) приводит к уменьшению побочных главных лепестков. Эти смещения имеют оптимум, соответствующий минимуму дифракционных боковых лепестков (остатков от побочных главных лепестков). Причем этот минимум не зависит от угла сканирования. Минимум боковых лепестков решетки типа 2 после введения неэквидистантности почти не зависит от амплитудного распределения и составляет примерно -20…-25 дБ.

Эти свойства решеток типа 1 и 2 иллюстрируют рисунки 6-8. На рисунке 6, а показана ДН в плоскости строк эквидистантной решетки с отношением шага расположения излучателей (D) к длине волны (л), равного D/л = 2 (условие единственности главного лепестка нулевого порядка (m = 0) не выполняется при сканировании в секторе углов ±90°). Угол наблюдения обозначен символом Q, число строк в решетке = 15, число излучателей в каждой строке = 25. Рисунок 6 соответствует нулевому углу сканирования (направление максимума главного лепестка нулевого порядка = 0). Как видно, слева и справа от главного лепестка ДН с m = 0 расположены побочные главные лепестки порядка . На рисунке 6,б показана ДН этой решетки при удалении 70 % излучателей по случайному закону (случайная решетка типа 1). Амплитудное распределение возбуждения излучателей в решетке по строкам и столбцам равномерное.

Рисунок 6. ДН решетки при D/л=2: а - = 1; б - = 0,2

На рисунке 7 показаны ДН этой же решетки без удаления излучателей после введения неэквидистантности путем смещения излучателей в плоскости раскрыва по случайному закону в строках и в столбцах на величину : на рисунке 7, а - для равномерного амплитудного распределения, на рисунке 7, б - для спадающего к концам строк до значения = 0,2 от максимума в центре каждой строки.

Рисунок 7. ДН случайной решетки типа 2 при разном амплитудном распределении: а - =1; б - =0,2

Очевидно, решетка типа 1 является неработоспособной из-за наличия нескольких главных лепестков. В этом случае говорить о сканировании в ней нет смысла. В решетке типа 2 описанное свойство сохраняется и при сканировании. Для иллюстрации на рисунке 8 показана ДН этой решетки при двух углах сканирования: 30° и 60°. Ширина главного лепестка ДН излучателя решетки на уровне -3 дБ равна 90°.

а - 30°; б - 60°

Рисунок 8. ДН решетки типа 2 при двух углах сканирования

Решетки типа 1 и типа 2 с указанными выше геометрическими параметрами показаны на рисунке 9.

Рисунок 9. Решетки типа 1 и типа 2. В исходной эквидистантной решетке = 15, = 25, D/л

Сравнение неэквидистантных случайных решеток типа 1 и 2 по различным критериям показало, что эти решетки почти эквивалентны по:

- возможности их разрежения;

- возможности сканирования;

- степени влияния случайных ошибок возбуждения излучателей по амплитуде и фазе на электрические параметры;

- значению коэффициента направленного действия при одинаковых размерах раскрыва и одинаковом количестве излучателей.

В приложениях приведены тексты фрагментов разработанной программы численного моделирования (система программирования - Delphi), а также акт внедрения результатов диссертации.

Заключение

Основные научные результаты диссертации

Диссертационная работа посвящена анализу и оптимизации разреженных антенных решеток различного типа. Анализ сделан численно с помощью разработанной автором программы, реализующей разработанную автором численную модель. Для моделирования отдельных излучателей и малоэлементных решеток использовались также коммерческие программы AWR и CST.

1. Разработана численная модель антенной решетки, устанавливающая связь входных характеристик антенной решетки (геометрических параметров, возбуждающих воздействий, частоты) с выходными характеристиками решетки (диаграммой направленности, коэффициентом направленного действия, коэффициентом усиления, входным сопротивлением). В численной модели для решения внутренней задачи теории антенн (определение тока в проводниках излучателей) использован метод интегральных уравнений. Для решения внешней задачи (определение поля найденных токов) использован метод векторного потенциала. В отличие от численных моделей, использованных в известных программах электродинамического моделирования FEKO, CST, HFSS, разработанная в диссертации численная модель описывает решетку с разной формой раскрыва, разреженную тремя способами, учитывающую случайные ошибки различного типа и наличие дефектных излучателей.

Разработанная численная модель и ее программная реализация (программа FAR_Multi) по сравнению с известными коммерческими программами электродинамического моделирования FEKO, HFSS, CST позволяет сократить время решения задачи численного моделирования антенной решетки в 10-100 раз при числе излучателей в решетке 100-1000 [3, 4, 5].

2. Разработан ряд микрополосковых излучателей повышенной направленности для применения в несканирующих эквидистантных разреженных антенных решетках и обеспечивающих согласование в полосе частот 10-20 % от средней частоты, что на 5-10 % больше для подобных излучателей, описанных в литературе [1, 2, 9, 10, 11, 12].

3. С помощью разработанной программы, реализующей разработанную численную модель, проведено численное моделирование плоских разреженных антенных решеток [3, 7, 8]:

? эквидистантных;

? неэквидистантных с детерминированным законом разрежения;

? неэквидистантных со случайным расположением излучателей в апертуре решетки.

4. Исследованы разреженные неэквидистантные антенные решетки с различной формой раскрыва - прямоугольной, эллиптической, многоугольной. Определены допустимые пределы расширения решетки по критерию роста боковых лепестков и уменьшения КНД.

При допустимом росте уровня боковых лепестков (остатков, подавленных за счет введения неэквидистантности побочных главных лепестков) до минус 10 дБ число излучателей в решетке, разреженной по детерминированному закону, при секторе сканирования до 50о можно уменьшить в 2-2,5 раза при равномерном амплитудном распределении и в 4 раза при спадающем к краям решетки амплитудном распределении. При этом КНД в этих двух случаях за счет разрежения уменьшается на 4-5 дБ [5].

5. Исследовано влияние дефектных излучателей на характеристики и параметры неэквидистантной решетки с детерминированным размещением излучателей в апертуре. Показано, что наличие дефектных излучателей слабо влияет на параметры диаграммы направленности, но существенно - на КНД [4].

6. Проведен анализ разреженных неэквидистантных случайных антенных решеток двух типов. Тип 1 - решетка, получаемая из эквидистантной путем удаления части излучателей по случайному закону. Тип 2 - решетка, получаемая из эквидистантной путем смещения излучателей в плоскости апертуры по случайному закону.

Для антенных решеток типа 1 показано, что с ростом числа удаленных излучателей максимальный уровень боковых лепестков решетки и ширина главного лепестка ДН решетки практически не меняются. Это наблюдается как для средней ДН, так и для отдельных случайных реализаций ДН. Коэффициент направленного действия уменьшается с ростом .

Проведен анализ решеток типа 1 с разной формой раскрыва. По величине КНД при нулевом угле сканирования при одинаковых габаритных размерах на первом месте ? антенная решетка с круглым раскрывом, при сканировании преимущество имеет решетка с прямоугольным раскрывом. По уровню УБЛ при тех же условиях и всех углах сканирования преимущество на стороне 8-угольной решетки. С ростом угла сканирования это преимущество растет и составляет 3-4 дБ по сравнению с решеткой с круглым раскрывом и 7-8 дБ по сравнению с решеткой с прямоугольным раскрывом.

Показано, что для получения разреженной антенной решетки типа 1 из эквидистантной решетки путем удаления части излучателей по случайному закону необходимо в исходной эквидистантной решетке выполнить условие единственности главного лепестка нулевого порядка при сканировании в заданном секторе углов.

Показано, что при изменении числа удаленных излучателей от 0 до 80 % параметры диаграммы направленности почти не меняются, но КНД уменьшается. Уменьшение КНД растет с ростом угла сканирования. При нулевом угле сканирования уменьшение КНД в решетке с 8-угольным раскрывом на 3 дБ меньше, чем в решетке с прямоугольным раскрывом [5, 6].

7. Проведен подробный численный анализ разреженных решеток типа 2. Показано, что введение неэквидистантности в разреженную эквидистантную решетку путем смещения излучателей в плоскости раскрыва на величины и приводит к уменьшению побочных главных лепестков. Эти смещения имеют оптимум, соответствующий минимуму дифракционных боковых лепестков (остатков от побочных главных лепестков). Причем этот минимум не зависит от угла сканирования. Минимум боковых лепестков решетки типа 2 после введения неэквидистантности почти не зависит от амплитудного распределения и составляет примерно -20…-25 дБ.

Показано, что в разреженных решетках при введении неэквидистантности путем случайного смещения излучателей уменьшение числа излучателей на 80-90 % приводит к уменьшению КНД на 10-12 дБ. При этом побочные главные лепестки ДН подавляются на 15-10 дБ. По этим критериям антенные решетки со случайным расположением излучателей имеют существенные преимущества по сравнению с решетками, разреженными по детерминированному закону [5, 6, 7, 13].

Рекомендации по практическому использованию результатов диссертации.

Полученные результаты предназначены для применения при проектировании разреженных антенных решеток различного назначения (радиолокация, радиосвязь и другие области применения). Особенно перспективно использование разрежения по случайному закону в сверхширокополосных антенных решетках с широкоугольным сканированием: увеличение межэлементного расстояния в 5-10 раз по сравнению с тем, которое обеспечивает выполнение условия единственности главного лепестка ДН, позволяет существенно уменьшить взаимодействие между излучателями, применить излучатели, рассчитанные на минимальную частоту, для работы на максимальной частоте.

Литература

1. Шаляпин, И.Ф. Двумерные малоэлементные микрополосковые антенные решетки с последовательным возбуждением / И.Ф. Шаляпин, О.А. Юрцев // Наука и военная безопасность. - 2015. - № 2. - С. 55-58.

2. Бобков, Ю.Ю. Численное и экспериментальное моделирование плоских антенных решеток с последовательными схемами питания. / Ю.Ю. Бобков, И.Ф. Шаляпин, О.А. Юрцев // Вестник Военной академии Республики Беларусь. - 2015. - № 2 (47). - С. 88-95.

3. Юрцев, О.А. Сканирование в разреженной антенной решетке со случайным расположением излучателей в апертуре / О.А. Юрцев, И.Ф. Шаляпин // Доклады БГУИР. - 2015. - № 8 (94). - С. 31-37.

4. Шаляпин, И.Ф. Влияние дефектных излучателей на диаграмму направленности разреженной антенной решетки / И.Ф. Шаляпин // Электроника Инфо. - 2016. - № 4. -Апрель. - С. 58-61.

5. Юрцев, О.А. Сравнительный анализ двух типов неэквидистантных антенных решеток со случайным расположением излучателей / О.А. Юрцев, И.Ф. Шаляпин // Электроника Инфо. - 2016. - № 2. ? Февраль. - С. 53-57.

Статьи в сборниках материалов научных конференций

6. Юрцев, О.А. Сравнительный анализ сканирующих случайных антенных решеток с разной формой раскрыва / О.А. Юрцев, И.Ф. Шаляпин, С.А. Завадский // Электроника и микроэлектроника СВЧ - 2015: сб. докл. IV Всероссийской конф., Санкт-Петербург, июнь 2015 г. / СПб., 2015. - С. 256-261.

7. Шаляпин, И.Ф. Сканирование в разреженной антенной решетке со случайным расположением излучателей в апертуре / И.Ф. Шаляпин, О.А. Юрцев // Радиолокация, навигация, связь (RLNC*2015): материалы докл. XXI Междунар. науч.-техн. конф., Воронеж, апрель 2015 г. / Воронеж, 2015. - С. 430-441.

8. Разреженная антенная решетка со случайным смещением излучателей в плоскости апертуры / О.А. Юрцев, И.Ф. Шаляпин, С.А. Завадский, А.П. Юбко // Радиолокация, навигация, связь (RLNC*2016): материалы докл. XXII Междунар. науч.-техн. конф., Воронеж, апрель 2016 г. / Воронеж, 2016. - С. 783-793.

9. Шаляпин, И.Ф. Широкополосная микрополосковая решетка с параллельно-последовательной схемой возбуждения / И.Ф. Шаляпин, Ю.Ю. Боков // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013: тр. 9-й науч.-техн. конф., Севастополь, март 2013 г. / Севастополь, 2013. - С. 214.

10. Шаляпин, И.Ф. Численный анализ и экспериментальные исследования печатных антенных решеток / И.Ф. Шаляпин, Ю.Ю. Боков // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013: тр. 9-й науч.-техн. конф., Севастополь, март 2013 г. / Севастополь, 2013. - С. 211.

11. Шаляпин, И.Ф. Микрополосковые излучатели для разреженных антенных решеток / И.Ф. Шаляпин, О.А. Юрцев // Всероссийская конференция, Санкт-Петербург, июнь 2014 г. / СПб., 2014. - С. 70-74.

12. Shalyapin, I.F. Numerical and Experimental Research of Microstrip Radiators for Sparse Antenna Aarrays / I.F. Shalyapin, Y.Y. Bobkov // X International Conference on Antenna Theory and Techniques, Proceedings, Kharkiv, 21-24 April, 2015 / Kharkiv, 2015. - P. 301-203.

13. Шаляпин, И.Ф. Сканирование в разреженной антенной решетке / И.Ф. Шаляпин, О.А. Юрцев // Физика и технические применения волновых процессов: материалы ХII Междунар. науч.-техн. конф., Казань, сентябрь 2015 г. / Казань, 2015. - С. 66-68.

Размещено на Allbest.ru