Двух частотные моноимпульсные антенные решетки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Яковлев, Алексей Сергеевич

  • Яковлев, Алексей Сергеевич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2009, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ05.12.07
  • Количество страниц 126
Яковлев, Алексей Сергеевич. Двух частотные моноимпульсные антенные решетки: дис. кандидат технических наук: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии. Москва. 2009. 126 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яковлев, Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ ДВУХЧАСТОТНЫХ МОНОИМПУЛЬСНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК И МЕТОДОВ ИХ СОЗДАНИЯ.!.

1.1. Основные направления развития антенных систем.

1.2. Антенные решетки.

1.3. Широкополосные и двухчастотные антенные системы.

ГЛАВА 2. ИЗЛУЧАЮЩЕЕ ПОЛОТНО ДВУХЧАСТОТНЫХ АР.

2.1. Постановка задачи и предварительный анализ характеристик двухчастотной АР на радиальном волноводе.

2.2. Характеристики излучающего раскрыва двухчастотной АР на радиальном волноводе.

2.3. Широкополосный излучатель двухчастотной антенной решетки.

2.4. Линейный излучатель двухчастотной АР с косекансной диаграммой в вертикальной плоскости антенны.

ГЛАВА 3. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХЧАСТОТНЫХ АР.

3.1. Декомпозиция задачи для двухчастотной АР на радиальном волноводе.

3.2. Расчет ключевой матрицы РВ.

3.3. Распределительная система двухчастотной АР на радиальном волноводе.

3.4. Связь зондов с радиальным волноводом.

3.5. Расчёт элементов матрицы взаимных сопротивлений коллекторной решётки.

3.6. Суммарно-разностные возбудители радиально-волноводной распределительной системы двухчастотной совмещенной АР.

3.7. Система возбуждения двухчастотной моноимпульсной антенной решетки с каналом ПБЛ.

3.8. ДвухчастотнаяАРскосеканснойДНи каналом ПБЛ.

3.9. Линейный излучатель двухчастотной АР с частотным сканированием.

ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХЧАСТОТНЫХ АР.

4.1. Расчёт характеристик совмещенной АР на радиальном волноводе.

4.2. Параметрический синтез характеристик распределительной систем двухчастотной моноимпульсной АР с каналом ПБЛ.

ВЫВОДЫ.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», 05.12.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Двух частотные моноимпульсные антенные решетки»

Актуальность темы диссертации

В последнее время, в связи с ростом информационной насыщенности радиосистем возникает необходимость в расширении их пропускной способности, что приводит в итоге к необходимости расширения полос рабочих частот и использованию в работе нескольких частотных диапазонов, отличающихся между собой на несколько октав.

Решение данной задачи является достаточно сложным, и подразумевает наличие большого количества возможных вариантов реализации, как в плане построения антенного полотна, так и в плане построения возбуждающей распределительной системы. Но несомненным остается тот факт, что традиционные методы решения приводят к значительному росту массогабаритных показателей и стоимости антенной системы. Поэтому возможны различные варианты комбинированного использования, как элементов излучающего полотна, так и распределительной системы для одновременной работы в нескольких частотных диапазонах.

При этом большая часть используемых и разрабатываемых в настоящее время антенных систем различного назначения строятся по традиционной схеме, которая подразумевает использования для каждого из поддиапазонов частот своих излучателей и своей распределительной системы, что создает конструкторско-технологические трудности при проектировании.

Поэтому важность использования различных схем построения полотна антенной решетки и распределительных систем, которые могут совместно формировать различные типы диаграмм направленности (ДН) или несколько типов ДН одновременно для различных рабочих диапазонов частот не вызывает сомнений.

Известно, что совмещение разночастотных излучателей в единой апертуре двухчастотной антенной решетки (АР) приводит к значительному взаимодействию между излучателями различных поддиапазонов, что, в свою очередь, вызывает специфические искажения характеристик направленности многочастотной АР. В первую очередь, это уменьшение коэффициента усиления вследствие потери части мощности излучателя других поддиапазонов и появления дополнительных боковых лепестков, а также ряд других эффектов [1].

При создании двухчастотных АР необходимо учитывать сложность построения питающей распределительной системы решетки, которая будет оказывать основное влияние на массогабаритные параметры разрабатываемой антенны. Распределительная система должна обеспечивать необходимое амплитудно-фазовое распределение (АФР) по раскрыву ФАР для обоих совмещаемых диапазонов и также моноимпульсный режим их работы.

Применение двухчастотных антенных решеток позволяет решить следующие задачи:

1. Увеличить точность моноимпульсной пеленгации за счет использования во втором диапазоне более коротких волн.

2. Увеличиение помехозащищенности за счет работы на двух частотах.

3. Применение ФАР позволяет независимо для каждого из частотных диапазонов регулировать АФР по раскрыву антенны и, соответственно, изменять такие характеристики антенны, как УБЛ, КИП.

4. Применение ФАР позволяет создать моноимпульсную антенную систему с минимальными габаритными.

В данной работе предложены несколько вариантов построения двухчастотных моноимпульсных АР различного назначения.

Первый вариант - это АР на основе радиального волновода, предназначенная для радиолокационных головок самонаведения ракет. Такой способ построения конструкции АР позволяет сделать ее наиболее технологичной и компактной. Применение распределительной системы на основе радиального волновода позволяет использовать ее сразу на двух совмещаемых частотных диапазонах, что исключает необходимость построения двух фидерных трактов для каждого из частотных диапазонов. Основными достоинствами такой распределительной системы являются малые продольные габариты и достаточная простота реализации моноимпульсного режима работы АР.

Второй вариант АР - моноимпульсная двухчастотная АР с каналом ПБЛ, излучателями типа экспоненциально расширяющейся щелевой линии (вивальди) и распределительной системой на основе симметричной полосковой линии с малыми потерями для систем УВД и НРЗ.

Цель работы

Разработка схем построения и методик синтеза двухчастотных антенных решеток на основе радиального волновода, симметричных воздушно-полосковых линий с малыми потерями и двухчастотных АР с частотным сканированием на основе П-образного волновода, а также методов инженерной оценки параметров антенн, получаемых с использованием приведенных методик.

В работе изложены методики синтеза двухчастотных антенных решеток, в которых указанные вопросы подробно рассмотрены. Изложена методика предварительной инженерной оценки характеристик двухчастотных АР.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработки схем построения двухчастотных антенных решеток, позволяющих упростить конструкцию антенной системы.

2. Создания методов моноимпульсного возбуждения двухчастотных АР, позволяющих независимо управлять амплитудно-фазовым распределением суммарного и разностного каналов.

3. Усовершенствования методов расчета длин зондов коллекторной решетки, распределительной системы двухчастотной АР на радиальном волноводе.

4. Формирования методик структурного синтеза параметров распределительных систем двухчастотных АР.

5. Разработки алгоритмов и создания программного обеспечения, для моделирования, синтеза и «оптимизации» параметров двухчастотных антенных решеток. Научная новизна работы

1. Развиты универсальные электродинамические подходы и математический аппарат прикладной электродинамики, получены новые результаты исследования и оптимизации энергетических, частотных, поляризационных характеристик двухчастотных АР.

2. Создана алгоритмическая база вычислительной электродинамики и программное обеспечение для исследования и оптимизации по выбранным параметрам электродинамических характеристик канализирующих систем АР на основе радиального волновода.

3. Разработана методика автоматизированного проектирования распределительной системы двухчастотных АР при обеспечении оптимальных заданных технических параметров с минимальными временными затратами.

4. Разработаны различные способы возбуждения распределительной системы двухчастотных АР на радиальном волноводе, позволяющие АР работать в моноимпульсном режиме.

5. Разработан метод формирования канала подавления боковых лепестков двухчастотной АР на основе широкополосных излучателей.

Практическая значимость

Предложены различные схемы построения двухчастотных антенных решеток. Разработанные методы синтеза двухчастотных антенных решеток позволили сформулировать рекомендации по выбору их основных конструктивных параметров с использованием приведенных инженерных оценок, а также позволили создать алгоритмы и пакеты программ для моделирования и синтеза двухчастотных антенных решеток, имеющих низкий уровень бокового излучения около -25.-30 дБ, оптимизировать параметры моноимпульсного режима работы.

Реализация и внедрение

Данная работа представляет собой часть исследовательской и инженерной работы, проводимой в течение ряда лет ОАО «КБ ЛИРА» и ОАО «МНИИ Агат» в области создания двухчастотных антенных решеток. Результаты работы были использованы при разработке радиолокационных систем ОАО «КБ ЛИРА». Результаты использования отражены в актах о внедрении.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 125 машинописных страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Иллюстративный материал представлен в виде 93 рисунков и 2 таблиц. Список литературы включает 37 наименований.

Похожие диссертационные работы по специальности «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», 05.12.07 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Яковлев, Алексей Сергеевич

Выводы

1. Предложены различные варианты построения излучающего полотна совмещенной АР на РВ и рассчитаны их основные характеристики.

2. Разработано программное обеспечение для расчета распределительной системы АР на РВ.

3. На основе разработанного программного обеспечения рассчитаны характеристики совмещенной ФАР при различных режимах работы распределительной системы.

4. Найдены «оптимальные» значения векторов длин зондов коллекторной решетки, обеспечивающие работу совмещенной ФАР с заданными характеристи кам и.

5. Разработаны конструкции моноимпульсных суммарно-разностных трехмодовых возбудителей радиально-волноводной распределительной системы совмещенной ФАР.

6. Рассмотрены варианты построения АС наземных двухчастотных АР на основе широкополосных излучателей. Предложены различные схемы построения распределительных систем АР, обеспечивающих формирование различных типов ДН, а также канала ПБЛ в двух частотных диапазонах одновременно. Предложен линейный излучатель на основе широкополосных излучателей с единой распределительной системой, формирующий косекансную ДН в двух частотных диапазонах. Рассмотрены различные способы уменьшения уровня обратного излучения широкополосных излучателей.

7. Определены требования к распределительным системам совмещенных двухчастотных АР. Предложены различные варианта построения распределительных систем двухчастотной АР. Рассмотрены предельно достижимые характеристики двухчастотных АР при использовании различных распределительных систем. Выбраны критерии и проведена оптимизация характеристик распределительных систем двухчастотных АР.

8. Оптимизирована конструкция двухчастотной АР с широкополосными излучателями по КНД, УБЛ и крутизне пелеигационной характеристики. Проведена оптимизация основных элементов распределительной системы и частотно-разделительных устройств. Минимизировано количество излучающих элементов в апертуре двухчастотной АР, при условии сохранения необходимого уровня усиления.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрены основные тенденции развития антенных систем различного назначения, показана необходимость создания и разработки двухчастотных АР с использованием различных распределительных систем, позволяющих одновременно формировать несколько типов ДН.

2. Предложены различные способы построения антенного полотна двухчастотной антенной решетки с различными типами излучателей, учитывающие особенности используемых распределительных систем.

3. Проведен анализ характеристик различных комбинаций излучателей в составе двухчастотных АР с использованием численных методов электродинамики.

4. Проведено исследование взаимодействия зондов распределительной системы на основе радиального волновода при работе в двухчастотном режиме.

5. Разработаны методы расчета и параметрической оптимизации распределительной системы двухчастотной антенной решетки на основе радиального волновода с учетом характеристик излучателей.

6. Проведены экспериментальные исследования характеристик двухчастотных АР на радиальном волноводе.

7. Разработан алгоритм параметрической оптимизации параметров двухчастотного линейного излучателя с косекансной диаграммой направленности.

8. Проведен анализ характеристик канала подавления боковых лепестков в двухчастотной моноимпульсной АР, с учетом различного положения и количества используемых излучающих элементов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яковлев, Алексей Сергеевич, 2009 год

1. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. —М : Наука, 1973.

2. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ. -М.: Изд-во МАИ, 1999.

3. Марков ГЛ., Сазонов Д.М. Антенны. -М : Энергия, 1975.

4. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток/ Под ред. Д. И. Воскресенского. -М.: Радиотехника, 2003.

5. Корн Г, Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М : Наука, 1978.

6. Сканирующие антенные системы СВЧ/ Ред. Хансен, пер. с англ. под ред. МарковаГ.Г., Чаплина А.Ф.-ЪА.: Сов. радио, 1968.

7. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы. -М.: Наука, 1977.

8. Градштейн И.С., Рыжик Н.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. -М.: Физматгиз, 1962.

9. Воскресенский Д.И., Кременецкий С.Д., Гринев А.Ю., Котов Ю.В. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ. -М.: Радио и связь, 1988.

10. Miyashita И., Katagi Т. Radial Line Planar Monopulse Antenna// IEEE Trans Antennas Propagat, vol.44, №8, 1996.

11. Takada J., Takahashi M, Ando M., Ito K., Goto N. The optimum aperture illumination design in single-layered radial line slot antennas// Proc. IEICE Fall Conf.B-73, 1992, Sept., pp.2-73.

12. Tomasic В., Hessel A. Electric and Magnetic Current Sources in the Parallel Plate Waveguide// IEEE Trans Antennas Propagat, vol.35, №11, 1987.

13. ХЪ.Тонг Cyan Дай Дисковая антенна для широкоугольного сканирования// Антенны, т.60, №5, 2002, с. 9-15.

14. К. S. Yee, Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media, 1983.

15. Кугушев A.M., Голубева H.C. Митрохин B.H. Основы радиоэлектроники. Электродинамика и распространение радио волн. Учеб. Пособие для вузов— М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

16. Pazin, L., Leviatan, Y. Effect of amplitude tapering and frequency dependent phase errors on radiation characteristics of radial waveguide fed non-resonant array antenna// IEEE Trans Antennas Propagat, vol. 53, №12, 2005.

17. Пономарев Л.И., Степаненко В.И. Сканирующие многочастотные совмещенные антенные решетки. -М.: Изд-во Радиотехника, 2009.

18. Pazin, L., Leviatan, Y. Uniform amplitude excitation of radiating elements in array antenna pin-fed from radial waveguide// IEE Proc. Microw. Antennas Propag., Vol. 148, No. 6, Dec. 2001.

19. Pazin, L., Leviatan, Y. Effect of amplitude tapering and frequency dependent phase errors on radiation characteristics of radial waveguide fed non-resonant array antenna // IEE Proc. Microw. Antennas Propag., Vol. 151, No. 4, Aug.2004.

20. D.L. Collinson Passive self-switching dual band array antenna. Патент США № 7215284 B2 опубл. 16.11.2006.

21. Jean-Pierre Berenger Perfectly Matched Layer for the FDTD Solution of Wave -Structure Interaction Problem. / IEEE Trans Antennas Propagat, vol. 44, №1, 1996

22. M. И. Андрийчук, H. H. Войтович, П. А. Савенко, В. П. Ткачук. Синтез антенн по амплитудной диаграмме направленности: Численные методы и алгоритмы. Наукова думка, Киев, 1993, 256 с.

23. Воскресенский Д.И. Активные фазированные антенные решётки. Под. ред. Д.И. Воскресенского — М.: Радиотехника, 2004. — 488 с.

24. Уолтер К. Антенны бегущей волны. Пер. с англ. Под ред. А.Ф. Чаплина. — М.: Энергия, 1970. — 448 с.

25. Дерюгин Л.Н.,. Кузнецов М.Г. Углочастотная чувствительность антенных решёток и её связь со свойствами питающего волновода, Радиотехника. — 1965. —т. 11. —С.327—333.

26. Евстропов Г.А., Царапкин С.А. Расчёт волноводно-щелевых антенн с учётом взаимодействия по основной волне, Радиотехника и электроника. — 1996. — т. 11.— №5. — С.822—830.

27. Калиткин Н.Н. Численные методы, -М.: Наука 1978.

28. Ruey-Shi Chu, Киип M.Lee, Allen T.S. Wang. Multiband, phased-array antenna with interleaved tapered-element and waveguide radiators. Патент США № 5,557,291 выдан. 17.9.1996.

29. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы / под ред. В.М. Курейчика. 2-е изд., испр. И доп. М.: Физматлит, 2006.

30. Емельянов В.В., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Теория и практика эволюционного моделирования. — М.: Физматлит, 2003.31 .Алексеев О.В. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. — М.: Высшая школа, 2000.

31. Растригин Л.А. Статистические методы поиска. -М.: Наука, 1968.

32. Яковлев А. С. Двухчастотная ФАР Х- и К-диапазона. «Информационно-измерительные и управляющие системы» № 11, Радиотехника, Москва,2006 г.

33. Яковлев А. С. Двухчастотная моноимпульсная АР на радиальном волноводе. Труды 3-й международной научно-технической конференции «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006», Севастополь, апрель 17-21, 2006 г.

34. Яковлев А. С., Шмачилин П. А. Излучатели ФАР с частотным сканированием. Труды молодежной научно-технической конференции «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», Издательство МАИ, Москва, 2007 г.

35. Большаков Ю.П. Гаврилов А.А. Яковлев А. С. Линейный излучатель двух частотной АР с косекансной ДН. Труды 7-й международной молодежной научно-технической конференции «КрыМико-2007», Севастополь, сентябрь 10-14, 2007 г.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.