Исследование и разработка сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, доктор технических наук Ашихмин, Александр Владимирович

• Ашихмин, Александр Владимирович
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Ашихмин, Александр Владимирович

Введение

§

1 Анализ перспективных направлений и методов исследования и разработки сверхширокополосных антенн для комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования

1.1 Анализ возможностей и основных характеристик радиолокационных измерительных комплексов закрытого и открытого типов в контексте эффективности их использования для исследования и оптимизации сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля

1.2 Анализ возможностей и эффективности применения программ электродинамического моделирования при исследовании и разработке сверхширокополосных антенн стационарных и мобильных комплексов радиоконтроля

1.3 Анализ перспективных путей построения сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля и создания алгоритмов коррекции измеренных значений пеленгов, искаженных протекающими дифракционными процессами

1.4 Выводы по первой главе

2 Разработка и апробация методик оптимизации характеристик

ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе частот

2.1 Исследование характеристик ТЕМ- рупоров с нерегулярным законом продольного распределения погонных параметров

2.2 Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора в сверхширокой полосе частот на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода

2.3 Разработка методики параметрического синтеза ТЕМ- рупора с оптимизированными в сверхширокой полосе частот входными характеристиками на основе генетического алгоритма

2.4 Сравнительный анализ входных характеристик и направленных свойств пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и сеточной тонкопроволочной конструкции

2.5 Исследование возможностей совершенствования характеристик пирамидального ТЕМ- рупора за счет гофрирования его полосков

2.6 Выводы по второй главе

3 Разработка и исследование сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны

3.1 Анализ зависимости характеристик сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны от формы профиля щели

3.2 Методика синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с использованием их квазистатической и строгой электродинамической моделей

3.3 Оптимизация входных характеристик сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны на основе использования генетического алгоритма

3.4 Разработка и исследование сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны с управляемой поляризационной чувствительностью

3.5 Оптимизация конструкции диэлектрического обтекателя с целью повышения эффективности сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны

3.6 Выводы по третьей главе

4 Разработка и исследование радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из элементов с тороидальной и игольчатой диаграммой направленности 253 4.1 Алгоритм реально-временной компенсации систематической ошибки измеренных с помощью вибраторной антенной решетки пеленгов, основанный на предложенной итерационной модификации метода наведенных ЭДС

4.2 Исследование характеристик вибраторной логопериодической структуры, входящей в состав кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки

4.3 Исследование сверхширокополосного щелевого излучателя бегущей волны, являющегося элементом кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки

4.4 Разработка и исследование кольцевой антенной решетки из пирамидальных ТЕМ- рупоров, предназначенной для использования в амплитудно-фазовом радиопеленгаторе

4.5 Разработка и исследование радиопеленгаторной линейной антенной решетки СВЧ диапазона волн, состоящей из элементов Вивальди

4.6 Исследование и компенсация влияния металлического кожуха на пеленгационные характеристики линейной антенной решетки из элементов Вивальди

4.7 Выводы по результатам четвертой главы 346 5 Разработка и исследование методик синтеза и анализа сверхширокополосных радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа мобильного базирования

5.1 Методика коррекции пеленгов, измеренных в сверхширокой полосе частот с помощью вибраторной антенной решетки мобильного базирования, основанная на интерполяции данных натурных экспериментальных измерений

5.2 Методика анализа и компенсации искажений пеленгов, вызванных рассеянием волн на корпусе носителя вибраторной антенной решетки, основанная на эвристическом представлении о распределении протекающих поверхностных токов

5.3 Разработка и исследование итерационного метода решения в частотной области задач дифракции электромагнитных волн на металлических объектах, сформулированных в виде интегральных уравнений

5.4 Методика оценки систематической погрешности пеленгования, вносимой корпусом носителя вибраторной антенной решетки, основанная на переходе к анализу упрощенной эквивалентной электродинамической структуры

5.5 Методика оптимизации размещения элементов радиопеленгаторной антенной решетки мобильного базирования с учетом искажений, вносимых корпусом носителя в структуру измеряемого поля в сверхширокой полосе рабочих частот

5.6 Исследование пеленгационной характеристики кольцевой антенной решетки вибраторного типа, установленной под фюзеляжем самолета

5.7 Исследование возможности предельного упрощения электродинамической модели самолета - носителя радиопеленгаторной антенной решетки

5.8 Выводы по результатам пятой главы 444 6 Разработка и исследование сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга

6.1 Исследование направленных свойств плоского биконического вибратора, находящегося в свободном пространстве и расположенного над металлическим экраном

6.2 Разработка и исследование сверхширокополосной измерительной антенны, построенной на основе комбинации плоского и объемного биконусов

6.3 Разработка и оптимизация параметров широкополосных печатных антенных решеток с веерной и игольчатой диаграммами направленности

6.4 Исследование входных характеристик сверхширокополосного биконического вибратора с кольцевыми пазами

6.5 Разработка и исследование линейной модификации спирали Архимеда, являющейся сверхширокополосной антенной по направленным свойствам

6.6 Исследование архимедовской спиральной антенны с внутренней модуляцией излучающих проводников

6.7 Выводы по шестой главе 520 7 Методика проектирования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля, структура и результаты исследований аппаратно-программных комплексов радиопеленгации и радиомониторинга

7.1 Методика автоматизированного проектирования и анализа характеристик сверхширокополосных антенных систем комплексов радиоконтроля

7.2 Структура аппаратно-программного панорамно-пеленгационного мобильного комплекса серии МК, оснащенного антенными решетками

7.3 Особенности функционирования аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, оснащенных антенными решетками

7.4 Анализ технических характеристик аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, оснащенных антенными решетками

7.5 Выводы по седьмой главе 590 Заключение 591 Список цитируемых источников 593 Приложение 1. Акт внедрения результатов диссертации в в/ч

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля»

Актуальность работы. Одной из мер в противодействии террористической угрозе является создание мобильных и стационарных комплексов радиоконтроля, позволяющих своевременно обнаруживать и с высокой точностью и достоверностью определять местоположение несанкционированных источников радиоизлучения, используемых террористами, а также осуществлять контроль над информационными потоками, передаваемыми посредством электромагнитных волн, в широкой полосе частот.

Потенциально достижимые значения многих наиболее важных тактико-технических характеристик комплексов радиоконтроля (полосы рабочих частот, зоны и дальности действия, разрешающей способности по угловым координатам, точности и однозначности пеленгования источников, габаритных размеров и массы аппаратуры, времени сворачивания и разворачивания на местности) в значительной степени определяются характеристиками используемых в них антенных систем.

К антенным системам комплексов радиоконтроля предъявляются весьма противоречивые требования: при минимально возможных габаритных размерах и массе они должны обнаруживать и пеленговать источники радиоизлучения на предельных энергетических показателях в сверхширокой рабочей полосе частот, включающей в себя радиоволны нескольких частотных диапазонов. К особенностям применения антенных систем комплексов радиоконтроля следует отнести их размещение на мобильных носителях или в составе архитектурных композиций зданий, что приводит к необходимости проектирования антенных решеток с учетом электродинамического взаимодействия всех элементов их конструкции, включая несущие и опорные, искажающих электромагнитное поле по отношению к свободному пространству.

Поэтому весьма перспективным направлением совершенствования аппаратуры радиоконтроля является использование в ней направленных сверхширокополосных антенных систем и устройств в совокупности с программными средствами обработки наблюдаемого электромагнитного поля источников радиоизлучения и компенсации искажений его структуры, вносимых антенной и ее носителем (опорной конструкцией).

Разработке сверхширокополосных и широкополосных антенн посвящены работы отечественных ученых: Г.В. Анцева, H.A. Арманда, Л.Ю. Астанина, Л.Д. Бахраха, H.A. Бея, А.П. Брызгалова, Д.И. Воскресенского, А.Ю. Гринева, Н.В. Зернова, И.Я. Иммореева, А.Ф. Кардо-Сысосева, В.Я. Кислова, A.A. Кос-тылева, В.Ф. Кравченко, В.Н. Митрохина, M.J1. Осипова, В.А. Пермякова, Л.И. Пономарева, В.А. Сарычева, В.Н. Скосырева, А.Д. Французова, В.В. Чапурско-го, В.А. Черепенина, С.Л. Чернышева, B.C. Черняка, А.Б. Шварцбурга и др.

Однако, до настоящего времени остается нерешенным ряд важных задач в области исследования и разработки малогабаритных сверхширокополосных антенных систем и устройств для комплексов радиоконтроля мобильного и стационарного базирования, в минимальной степени искажающих структуру наблюдаемого поля, создаваемого источниками радиоизлучения.

Данные обстоятельства делают актуальным тему настоящей диссертации, выполненной в рамках ряда проводимых в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, тесно связанных со следующими приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации: перспективные вооружения, военная и специальная техника; опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь.

Целью диссертационной работы является: исследование и разработка сверхширокополосных антенных элементов и решеток, предназначенных для использования в комплексах радиоконтроля мобильного и стационарного базирования, позволяющих повысить их энергетический потенциал, разрешающую способность и точность измерения угловых координат источников радиоизлучения; а также создание методик и алгоритмов реально-временной компенсации систематических погрешностей пеленгования, вызванных искажением структуры наблюдаемого поля антенной системой и ее носителем.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения поиска и анализа перспективных направлений и методов исследования и разработки сверхширокополосных антенн для комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования;

- разработки и апробации методик оптимизации характеристик ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе частот;

- создания и анализа эффективности методик параметрического синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны;

- разработки и исследования радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных элементов с тороидальной и игольчатой диаграммой направленности;

- создания и исследования методик синтеза и анализа радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа мобильного базирования, позволяющих существенно уменьшить систематическую погрешность пеленгования источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот;

- разработки и исследования сверхширокополосных антенн для аппаратуры радиомониторинга, отличающихся повышенной действующей длиной при малых габаритных размерах;

- разработки и верификации методики автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля; создания и отладки программных средств реально-временной обработки принимаемых сигналов и компенсации систематических погрешностей пеленгования, обусловленных дифракционными явлениями; исследования, разработки, создания и натурных экспериментальных испытаний семейства аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, оснащенных антенными решетками.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы анализа и синтеза теории антенн, вычислительные методы технической электродинамики, методы математического моделирования, методы натурных экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен и апробирован ряд методик оптимизации характеристик ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе частот, позволяющих проводить их параметрический синтез на различных уровнях представления о протекающих физических процессах (квазистатического приближения, сеточного тонкопроволочного представления полосков, использования Фредгольмовских векторных интегральных уравнений 2-го и 1-го рода для анализа антенных устройств с гладкими и гофрированными полосками соответственно) и на базе разных принципов построения оптимизационной процедуры - от полуэмпирического до эволюционного;

- созданы и исследованы методики параметрического синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с фиксированной и электронно-управляемой поляризационной чувствительностью, основанные на совместном использовании квазистатической и строгой электродинамической (построенной на основе векторных интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода) моделей излучателей, а также на представлении анализируемой электродинамической структуры в виде многокаскадного соединения диссипативных четырехполюсников, параметры которых находятся с помощью генетического алгоритма;

- разработаны методики проектирования линейных и кольцевых радио-пеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных элементов с игольчатой диаграммой направленности, не имеющих фазового центра (ТЕМ- рупоров, антенн Вивальди); предложены быстрые алгоритмы и способы повышения точности пеленгования источников радиоизлучения в широкой полосе частот с помощью малоэлементных антенных решеток, состоящих из направленных и ненаправленных в азимутальной плоскости излучателей;

- предложен и исследован ряд методик анализа радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа мобильного базирования, использующих модели описания дифракционных искажений структуры измеряемого электромагнитного поля различного уровня электродинамической строгости (от представления корпуса носителя в виде совокупности непересекающихся металлических полос, сходящихся к каждому вибратору антенной решетки, до игнорирования искажений поля, вносимых электрически короткими вибраторами; использования быстросходящейся итерационной процедуры решения векторных интегральных уравнений Фредгольма 2-го рода в частотной области, а также решения векторных интегральных уравнений Фредгольма 2-го рода в частотной и временной областях), позволивших создать программные средства реально-временной коррекции измеренных пеленгов и реализовать процедуру оптимального (в смысле минимума усредненной по частоте и азимуту ошибки пеленгования источников радиоизлучения) размещения элементов антенной решетки на корпусе носителя;

- разработаны и исследованы сверхширокополосные антенны для аппаратуры радиомониторинга, отличающиеся повышенной действующей длиной при малых электрических размерах, что позволило развить перспективные тенденции к созданию антенных устройств, характеризующихся уменьшенными значениями нижней критической частоты рабочего диапазона с коэффициентом перекрытия до нескольких сотен раз.

Практическая ценность работы заключается в создании ряда комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования, оснащенных сверхширокополосными антеннами, конкурентоспособных с лучшими зарубежными и отечественными аналогами. Разработана методика автоматизированного проектирования высокоэффективных сверхширокополосных и широкополосных антенных устройств и систем, состоящих из направленных и ненаправленных элементов, в минимальной степени искажающих структуру принимаемых электромагнитных волн, пригодная не только при создании комплексов радиоконтроля, но и аппаратуры радионавигации, радиосвязи и приема-обработки данных, радиолокации.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в: в/ч 11135, ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ (г. Воронеж), ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК РФ (г. Воронеж), Военном институте радиоэлектроники МО РФ (г. Воронеж), филиале ФГУП «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» в Воронежской области, ВВТУ ФСО РФ (г. Воронеж), Воронежском институте МВД РФ, ОАО заводе «Электросигнал» (г. Воронеж), ЗАО научно-внедренческом предприятии «ПРОТЕК» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в Воронежском государственном техническом университете при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности «Радиотехника», а также в лабораторных работах по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Основные положения, выносимые на защиту:

- методики оптимизации ТЕМ- рупоров с гладкими, гофрированными и сетчатыми полосками, позволившие создать сверхширокополосные антенные элементы с существенно уменьшенными значениями нижней граничной частоты функционирования;

- методики параметрического синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с фиксированной и электронно-управляемой поляризационной чувствительностью, с помощью которых синтезированы излучатели, значительно превосходящие по входным характеристикам антенну Вивальди эквивалентных геометрических размеров;

- методики проектирования линейных и кольцевых антенных решеток из изотропных и направленных в азимутальной плоскости сверхширокополосных элементов, не имеющих фазового центра; алгоритмы и способы оценки угловых координат источников радиоизлучения, позволяющие существенно повысить разрешающую и пропускную способность аппаратуры радиоконтроля, точность пеленгования, а также расширить ее зону действия;

- методики анализа радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа, расположенных на мобильном носителе (микроавтобусе, самолете), а также процедура оптимального размещения на нем антенных элементов, позволившие создать сверхширокополосные антенные системы и программные средства, существенно снижающие систематическую погрешность пеленгования, вызванную дифракционными явлениями;

- перспективные тенденции создания сверхширокополосных антенных устройств для аппаратуры радиомониторинга, характеризующихся уменьшенными значениями нижней критической частоты рабочего диапазона и повышенной действующей длиной.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на междунар. НТК «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж, 1998-2005 гг.), 4-й междунар. НТК «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» (г. Воронеж, 1999 г.), Всероссийском семинаре «Реализация концепции совершенствования системы радиоконтроля в Российской Федерации» (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии» (г. Москва, 2003 г.), 3-й междунар. НТК «Wireless Security Technologies (IWWST)», (г. Лондон, 2005 г.), Ill НТК «Радиооптические технологии в приборостроении» (г. Сочи, 2005 г.), 6-й междунар. НТК «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж, 2005 г.), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (г. Воронеж, 1983-2005 гг.), МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержаться в 119 печатных работах, в том числе: в 2 монографиях, 79 статьях (из них 60 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций), 18 докладах на научно-технических конференциях и семинарах, 8 патентах и заявках на изобретение РФ, 1 отчете по НИР, 11 компьютерных программах, зарегистрированных в ГОСФАП РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: постановка задач; обоснование используемых и модификация известных методов; разработка критериев и алгоритмов оптимизации характеристик антенн; разработка алгоритмов коррекции дифракционных искажений пеленгов; участие в обсуждении всех полученных результатов; обоснование возможности использования полученных результатов в разрабатываемой аппаратуре. Соискателем определялась методология верификации математических моделей и численных методов анализа на основании полученных экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и 10 приложений. Работа содержит 616 страниц основного машинописного текста, 352 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 235 наименований использованных источников.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Ашихмин, Александр Владимирович

Результаты работы использованы:

- при разработке алгоритмов функционирования комплекса АРК-МКЗД в составе аппаратуры радиоразведки комплекса РЭП Р-330М1П и АСП «Житель»;

- при реализации математико-программного обеспечения обработки результатов пеленгования с учетом взаимного влияния элементов антенной решетки комплекса АРК-МКЗД и переизлучающих элементов изделий, на которых он установлен.

Внедрение указанных результатов позволило:

- повысить на порядок точность пеленгования источников радиоизлучения в сверхшироком диапазоне частот, существенно сократить время их пеленгования по сравнению с аналогичной по назначению аппаратурой радиоразведки предыдущего поколения;

- повысить статистическую устойчивость и достоверность пеленгования источников радиоизлучения;

- существенно сократить время разработки изделия АРК-МКЗД. Эффективность применения результатов докторской диссертации проверена в ходе войсковой эксплуатации названной техники РЭБ.

Председатель комиссии

Члены комиссии

АКТ о внедрении результатов НИР в учебный процесс

Результаты НИР НТП 05/03, НТП 05/04 «Создание и исследование антенных решеток и алгоритмов коррекции измеренных угловых координат источников радиоизлучения с учетом электродинамического взаимодействия антенно-фидерной системы с корпусом носителя» (проект 04.01.037, № госрегистрации 01.2.00306959), выполненной кафедрой радиоэлектронных устройств и систем (РЭУС) Воронежского государственного технического университета (исполнитель - Ашихмин Александр Владимирович) в форме пакета прикладных программ, предназначенного для исследования и разработки сверхширокополосных антенных устройств и систем, функционирующих в составе комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования, внедрены в учебный процесс ВГТУ на основании решения кафедры РЭУС (протокол № 18 от 23 мая 2005 года).

Указанные результаты используются в курсовом и дипломном проектировании студентов ВГТУ специальности «Радиотехника», а также в лабораторных работах по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Начальник учебного управления

В. С. Железный

Зам. зав. кафедрой РЭУС

И. А. Филатов

Заключение

В диссертации проведены исследования и разработка высокоэффективных сверхширокополосных антенных элементов и решеток, предназначенных для использования в комплексах радиоконтроля мобильного и стационарного базирования, позволяющих существенно повысить их энергетический потенциал, разрешающую способность и точность измерения угловых координат источников радиоизлучения; созданы методики и алгоритмы реально-временной компенсации систематических погрешностей пеленгования, вызванных искажением структуры наблюдаемого поля антенной системой и ее носителем.