WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


«Синтез кольцевых антенных решеток заданной конструкции с учетом диаграммы направленности излучающего элемента» по специальности «05.12.07 – антенны, СВЧ устройства и их технологии»

Автореферат диссертации

 

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

УДК 621.396.67

Романович Александр Геннадьевич

СИНТЕЗ КОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

ЗАДАННОЙ КОНСТРУКЦИИ С УЧЕТОМ ДИАГРАММЫ

НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.12.07 - антенны, СВЧ устройства и их технологии

Минск 2011


публики Беларусь». Научный руководитель

Работа выполнена в учреждении образования «Военная академия Рес-

Калинин Александр Александрович, канди­дат технических наук, доцент, профессор ка­федры радиотехники учреждения образования «Военная академия Республики Беларусь».


Официальные оппоненты: Кудин Виктор Пантелеевич, доктор техниче­ских наук, доцент, заместитель директора по на­учной работе - заместитель главного конструкто­ра Республиканского научно-исследовательского унитарного предприятия «Луч»;

Малый Сергей Владимирович, кандидат фи­зико-математических наук, доцент, доцент фа­культета радиофизики и компьютерных техно­логий учреждения образования «Белорусский государственный университет».


Оппонирующая организация


ГУ «НИИ Вооруженных Сил Республики Бела­русь».


Защита состоится « 16 » февраля 2012 г. в 14.00 на заседании совета по защите диссертаций Д 02.15.02 при учреждении образования «Белорусский государст­венный университет информатики и радиоэлектроники» по адресу: 220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6, корп. 1, ауд. 232, телефон: 293-89-89, e-mail: dis-sovet@bsuir.by.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке учреждения образо­вания «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлек­троники».


Автореферат разослан


«      »


января 2012 г.



Ученый секретарь

совета по защите диссертаций,

кандидат технических наук, доцент


Н.В. Тарченко


ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в Республике Беларусь, как и во всем мире, в раз­личных радиотехнических системах активно используются конформные ан­тенные решетки. Одним из примеров этому может служить разработанная в нашей стране маловысотная радиолокационная станция «Роса-РБ» с кольце­вой фазированной антенной решеткой в ее составе.

Кольцевые антенные решетки (КАР) по сравнению с линейными решет­ками обладают целым рядом полезных свойств. Среди них можно выделить возможность неискаженного электрического сканирования лучом диаграммы направленности (ДН) в круговом секторе пространства, расширение рабочей полосы частот, снижение уровня бокового излучения (УБИ), совмещение излу­чающего полотна антенны с поверхностью различных объектов и др. Вопросы теоретического и практического исследования КАР достаточно полно описаны в литературе. Однако практика построения таких антенн по заданным требова­ниям, т.е. синтез КАР, в силу различного рода причин требует дополнительных исследований и разработки специальных методов их решения.

Диссертация посвящена разработке метода синтеза КАР по заданным требованиям к ДН с учетом направленных свойств ее излучающих элементов. Под синтезом понимается расчет такого амплитудно-фазового распределения (АФР) токов в ее раскрыве, которое обеспечивает формирование ДН с задан­ными свойствами или близкой к ней по некоторому критерию. При этом во­прос построения конкретной конструкции, воспроизводящей требуемое АФР, составляет предмет отдельных исследований и в работе не рассматривается.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами (проектами) и темами

  1. Работа выполнена в соответствии с перечнем направлений исследова­ний в Вооруженных Силах Республики Беларусь для определения тематики диссертационных исследований адъюнктов и докторантов на 2009-2010 годы, определенным командованием ВВС и войск ПВО, согласно пункту № 282 «Раз­работка численной модели цилиндрической фазированной антенной решетки».
  2. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении ОКР (шифр «Роса-РБ» № 25/62013 от 24.05.2006 г.) в ОАО «КБ Радар».
  3. Материалы диссертации использованы в НИР «Синтез кольцевой антен­ной решетки и анализ влияния дестабилизирующих факторов на ее направленные свойства» (шифр «Кольцо РБ 2011» № 1336/11), утвержденной приказом началь­ника УО «Военная академия Республики Беларусь» № 222/02-11 от 18.02.2011 г.

1


Цель и задачи исследования

Целью диссертационного исследования является повышение эффективно­сти решения задачи синтеза кольцевых антенных решеток при формировании диа­грамм направленности заданной формы с использованием дополнительной ин­формации о направленных свойствах излучающих элементов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

  1. Разработать метод синтеза кольцевых антенных решеток, обеспечи­вающий учет направленных свойств излучающих элементов.
  2. Разработать методику численного расчета амплитудно-фазового распре­деления в пределах заданного активного сектора кольцевой антенной решетки, которая учитывает направленные свойства элементов и обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности.

3.   Разработать экспериментальную модель цифровой кольцевой антенной

решетки и методику измерения ее характеристики направленности. Провести экс­

периментальные исследования модели цифровой кольцевой антенной решетки.

Объект исследования - кольцевые антенные решетки.

Предмет исследования - методы решения задачи синтеза кольцевых ан­тенных решеток, учитывающие направленные свойства излучающих элементов.

Выбор объекта и предмета исследования обусловлен актуальностью разра­ботки радиосистем с конформными антенными решетками, обладающими рядом полезных свойств, отсутствующих у линейных и плоских излучающих систем.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Метод синтеза кольцевых антенных решеток, отличающийся возможно­стью учета направленных свойств элементов в составе излучающей системы и по­зволяющий за счет этого повысить эффективность решения задачи синтеза таких антенн по критерию среднеквадратической близости синтезированной и требуемой диаграмм в 2 раза по сравнению с синтезом систем изотропных излучателей.
  2. Методика численного расчета амплитудно-фазового распределения в пре­делах заданного активного сектора кольцевой антенной решетки, отличающаяся использованием метода наименьших квадратов и регуляризации решения задачи синтеза, позволяющая проводить учет направленных свойств излучающих эле­ментов и обеспечивающая относительную среднеквадратическую ошибку откло­нения синтезируемой диаграммы направленности от требуемой не более 5 %.
  3. Методика измерения характеристики направленности кольцевых антенных решеток с цифровым диаграммообразованием, отличающаяся применением в составе решетки только одного активного элемента в окру­жении пассивных, позволяющая заменить обработку одномоментно при­нятых сигналов всех элементов решетки на обработку последовательности сигналов  единственного  активного  элемента при  последовательном  его

2


расположении на месте очередного пассивного элемента и обеспечиваю­щая на этапе проектирования таких антенн идентичность приемопередаю­щих модулей и снижение затрат.

Личный вклад соискателя

Основные результаты диссертации, полученные автором самостоятельно: методика численного расчета амплитудно-фазового распределения поля в рас-крыве кольцевой антенной решетки в пределах заданного активного сектора; аналитическое решение задачи синтеза кольцевого излучателя; эксперимен­тальная модель и методика испытания кольцевой решетки.

Совместно с научным руководителем получены: метод синтеза кольце­вых антенных решеток заданных конструкций, учитывающий направленные свойства излучающих элементов; рекомендации по разработке кольцевых антен­ных решеток, сформулированные на основании численных, статистических, и экспериментальных исследований.

Апробация результатов диссертации

Теоретические и практические результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 44 - 47-й научно-технических конференциях аспирантов, магистрантов и студентов БГУИР (Минск, 2008-2011 гг.); X военно-научной конференции ВАРБ (Минск, 2009 г.); 3-й Международной студенческой научно-технической конференции «Новые на­правления приборостроения» (Минск, БИТУ, 2010 г.); X Международной межву­зовской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов «Исследова­ния и разработки в области машиностроения, энергетики и управления» (Гомель, ГГТУ, 2010 г.); 11-м Белорусско-литовском семинаре «Измерительные и инфор­мационные системы СВЧ диапазона» (Минск, Институт физики НАНБ, 2011 г.); Международной военно-научной конференции ВАРБ «Актуальные аспекты инно­вационного развития вооруженных сил с учетом характера войн будущего» (Минск, 2011 г.); Республиканском научно-техническом семинаре ВАРБ «Актуальные вопросы современной теории и техники антенн» (Минск, 2011 г.); 5-й Международной научной конференции по военно-техническим проблемам обороны и безопасности, использованию технологий двойного применения (Минск, 2011 г.).

Опубликованность результатов диссертации

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том чис­ле: 7 статей, общим объемом 2,4 авторских листа, в научных рецензируемых журналах и сборниках, 3 публикации в сборниках тезисов докладов междуна­родных научно-технических конференций, 2 публикации в сборниках тезисов докладов военно-научных конференций, 1 отчет о НИР.

3


Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, об­щей характеристики работы, основной части из четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

В первой главе проведен аналитический обзор научной литературы по теме диссертационного исследования, дана классификация задач синтеза антенн и дана краткая характеристика основных методов их решения. На основе обобщения ре­зультатов определены вопросы, требующие дальнейшего разрешения. Во второй главе изложена суть разработанного метода синтеза кольцевой антенной решетки, учитывающего направленные свойства элементов в составе излучающей системы. Получены численное и аналитическое решения задачи синтеза таких антенн, а также предложена методика численного синтеза. Продемонстрированы примеры решения задач синтеза кольцевых решеток при формировании диаграмм направ­ленности специальной формы. Третья глава посвящена исследованию влияния раз­личных дестабилизирующих факторов на характеристики и параметры синтезиро­ванных чебышевских кольцевых антенных решеток. Приведены статистические характеристики искажений диаграммы направленности при различных типах не-идентичностей излучающих модулей. В четвертой главе рассмотрены особенности применения разработанного в главе 2 метода синтеза антенн для решения задач синтеза цифровых антенных решеток. Предложены экспериментальная модель цифровой кольцевой антенной решетки и методика измерения ее характеристик направленности. Приведены результаты экспериментальных исследований 21-элементной кольцевой антенной решетки с цифровым формированием диаграммы направленности.

Полный объем диссертационной работы составляет 144 страницы, из кото­рых 80 страниц текста, 64 рисунка на 35 страницах, 10 таблиц на 3 страницах, 5 приложений на 14 страницах, список использованных источников из 132 наиме­нований на 10 страницах, список публикаций автора из 13 наименований на 2 стра­ницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана не­обходимость разработки специальных методов синтеза кольцевых антенных решеток, определены основные направления исследований.

В первой главе диссертации приведен очерк значимых этапов развития научных представлений в области теории синтеза излучающих систем. Дана краткая характеристика основных методов синтеза антенн. Проведен обзор и анализ научных публикаций и материалов, посвященных различным пробле­мам синтеза. Дана классификация основных задач теории синтеза антенн и вы-

4


явлен круг вопросов, требующих дополнительных исследований. Диссертаци­онные исследования посвящены одному из наиболее актуальных и перспектив­ных направлений синтеза в настоящее время - синтезу криволинейных, в част­ности кольцевых антенных решеток (КАР). В качестве объекта исследований выбраны КАР, а проведенный анализ научно-технической информации позво­лил сформулировать цель и задачи диссертационных исследований.

Во второй главе диссертации разработан метод синтеза КАР, учиты­вающий направленные свойства элементов в составе излучающей системы. Упрощенный вид конструкции кольцевых антенных решеток показан на ри­сунке 1. Как видно из рисунка, КАР представляет собой антенную систему, составленную из N одинаковых излучателей, равномерно распределенных по окружности некоторого радиуса R. Как правило, на практике излучающие элементы КАР расположены над проводящим цилиндрическим экраном. В этом случае при формировании ДН в требуемом направлении из-за экрани­рующего действия проводящей поверхности необходимо использовать лишь часть элементов (активный сектор 2\|/с), т.е. дуговую антенную решетку (ДАР). Поэтому в работе принято различать синтез кольцевых и синтез ду­говых антенных решеток.

Рисунок 1 - Конструкция кольцевой антенной решетки

Комплексная диаграмма направленности КАР описывается выражением

N

F(9) = ^V-1X4Fiw(9)exp[^cos(9-VJ],                              (1)

л=1

где Ап, \|/и- комплексные амплитуды возбуждения и угловое положение п-го из­лучателя;

Fi„((p) - диаграмма направленности п-го излучателя в составе КАР.

Под решением задачи синтеза КАР понимается расчет таких комплекс­ных амплитуд возбуждения излучателей Ап (амплитудно-фазовое распределе­ние (АФР) в раскрыве), которые обеспечат формирование ДН с требуемыми

5


свойствами. При этом считается известной конструкция КАР (R, N, 2\|/с, \|/и), а также длина волны X и ДН излучающих элементов Fi„(cp).

По аналогии с методом парциальных диаграмм (МПД) в работе было предложено представить АФР КАР в виде разложения в ряд Фурье:

оо

4=Z{^sin[/((Po-Ґ„)] + ^cos[/(90-\Kj]},                                      (2)

1=0

где щ, bi - комплексные коэффициенты данного разложения;

фо - требуемое направление формирования главного лепестка ДН.

После подстановки (2) в (1) и выполнения преобразований получено вы­ражение для диаграммы направленности КАР в виде

F(9) = nA,Zs,(q>) + **Zc,(q>)],                                  (3)

1=0

где L характеризует точность разложения в ряд Фурье;

Zs/((p), Zq((p) - базисные функции, описываемые следующими соотношениями:

N

Zs;(9) = ^-1Xsin[/(90-\Kj]Fin(9)exp[-^cos(9-\Kj],                                (4)

л=1

N

Zc;(9) = ^-1^cos[/(90-\|/J]Fin(9)exp[-^cos(9-\|/J].                                 (5)

л=1

Выражения (1)-(5) являются развитием известных методов синтеза ан­тенн, которые в основном применяются для синтеза линейных систем изотроп­ных излучателей в приложении к решению задач синтеза кольцевых антенных решеток. Как видно из соотношения (3), суть метода заключается в представ­лении требуемой ДН в виде разложения в ряд Фурье по системе функций Zsz(cp) и Zcz(cp), отыскании коэффициентов щ, bi и подстановке их в формулу (2) для расчета комплексных амплитуд возбуждения п-то излучателя. Принципиальной отличительной чертой предложенного метода является использование базис­ных функций специального вида. Они, как видно из выражений (4) и (5), со­держат в себе информацию о конструктивных особенностях КАР и направлен­ных свойствах ее излучающих элементов. Расчеты показали, что функции Zsz(cp) являются всегда нечетными, в то время как Zcz(cp) - всегда четные. Это, в свою очередь, обеспечивает выполнение условия их взаимной ортогональности:

J ZsK((p)Zcm((p)d(p->OnpHV*-Hm.                               (6)

о.

Однако условие «внутренней» ортогональности каждой из систем функций:

Ш-2%

J ZsK((p)Zsm((p)d(p->Onpn кфт\

о.

Ш-2%

J ZcK((p)Zcm((p)d(p->Onpn кфт,

о.

6


выполняется только для случая полного кольца, т.е. 2\|/с = 360°. Поэтому в са­мом общем случае предложенный метод синтеза представляет собой разложе­ние требуемой ДН по системе неортогональных базисных функций.

На основе предложенного метода синтеза и критерия минимума средне-квадратической меры близости требуемой и синтезированной ДН получено чис­ленное решение задачи синтеза КАР. С использованием метода наименьших квадратов была составлена система уравнений для определения коэффициентов разложения, которая, ввиду выполнения условия (6), сводится к двум независи­мым системам линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Коэффициенты щ и bi находятся путем решения соответствующих СЛАУ в матричном виде.

Основная сложность при вычислении коэффициентов щ и bi заключается в необходимости обращения квадратных матриц ядер интегральных уравнений. При этом для случая ДАР (КАР с активным сектором 2\|/с < 360°) из-за «внутренней» неортогональности базисных функций Zsz(cp) и ZQ(cp) матрицы ядер интегральных уравнений оказываются плохо обусловленными. Поэтому для решения задачи син­теза таких антенн предложено использовать метод регуляризации. Его суть заклю­чается в добавлении к главным диагоналям матриц ядер интегральных уравнений малых чисел у. Параметр регуляризации у должен обеспечивать своеобразный компромисс между близостью решения к исходной задаче по заданному критерию и приемлемой обусловленностью. Расчеты показали, что для практически важных задач синтеза (2\|/с = 120.. .160°) значение у находится в пределах от 0,0001 до 0,01.

Предложена методика численного синтеза кольцевых антенных решеток, включающая следующую последовательность операций:

  1. Диаграмма направленности ^(ф) представляется в виде аналитиче­ской функции, отвечающей заданным требованиям.
  2. Диаграмма направленности и-го излучателя формируется из ДН Fl(cp), полученной одним из известных способов. В зависимости от постановки задачи синтеза Fl„(cp) может характеризовать направленные свойства п-то излучателя как в свободном пространстве, так и с учетом взаимного влияния элементов КАР.
  3. На основании метода наименьших квадратов для нахождения значе­ний коэффициентов щ и bi составляются две независимые СЛАУ.
  4. Проводится решение СЛАУ относительно щ и bi.
  5. Для случая синтеза ДАР выполняется регуляризация решения.
  6. Рассчитываются требуемые комплексные амплитуды возбуждения из­лучателей активного сектора КАР. Для этого щ и bi подставляются в ряд (2).
  7. Проводится формирование ДН КАР путем подстановки Ап в (1).
  8. Оценивается эффективность решения задачи синтеза по одному из из­вестных критериев.

Проведен синтез КАР разных волновых размеров. Рассмотрены варианты формирования ДН сложной формы, таких как оптимальные, в частности чебы-

7


шевские, многолучевые и косеконсные. Достоверность полученного решения задачи синтеза проверена методом интегральных уравнений (МИУ) с исполь­зованием тонкопроволочной модели кольцевых антенных решеток. Элементы активного сектора КАР возбуждались токами с комплексными амплитудами, рассчитанными в соответствии с предложенной методикой синтеза, а пассив­ные элементы нагружались на согласованные нагрузки. Учет направленных свойств излучающих элементов осуществлялся с помощью функции Fi(cp), по­лученной МИУ для случая КАР с одним активным элементом, когда пассивные элементы нагружены на согласованные нагрузки, и развернутой на угол \|/и. При этом считалось, что ДН всех элементов в составе КАР F\n (ф) идентичны по форме и отличаются лишь направлением главного излучения \|/и. В основе это­го допущения лежит одно из свойств КАР - все ее элементы находятся в условиях практически одинакового взаимного влияния, так как и-ый излу­чатель окружен N - 1 идентичными элементами.

На рисунке 2 представлены некоторые результаты выполненных иссле­дований, в частности ДН и вид тонкопроволочной модели 21-элементной КАР (kR = 11,7; 2\|/с = 190°). Кривая 1 характеризует требуемую ДН, заданную в ви­де полинома Чебышева с параметрами F6 = -25 дБ и 2ф0,5 = 22°. Кривые 2 и 3 описывают полученные МИУ диаграммы направленности модели КАР, актив­ный сектор которой возбуждался комплексными амплитудами, рассчитанными в соответствии с вышеизложенной методикой, а пассивные элементы нагружались на согласованные нагрузки. Кривая 2, в отличие от кривой 3, была получена при решении задачи синтеза без учета направленных свойств излучающих элемен­тов КАР, т.е. для случая изотропных излучателей. Как видно из рисунка 2 (кри­вые 2 и 3), учет направленных свойств элементов КАР на этапе решения задачи синтеза обеспечивает лучшее приближение синтезированной ДН к требуемой.

Ш____ Ц____ !___ ,___ '   11.1____ \Lu____ I__ L_______ L2H___ Li__ I___ J_U___    11   1___ ,__ i___ M___ Ш_____ >

-180   -150   -120      -90      -60     -30        0        30       60      90       120     150      180 ф/

Рисунок 2 - Диаграммы направленности 21-элементной КАР

8


В работе показано, что значение среднеквадратической меры близости син­тезированной и требуемой диаграмм направленности, рассчитанное с учетом на­правленных свойств излучающих элементов КАР, оказывается в 2 раза меньше по сравнению со случаем изотропных излучателей.

Получены зависимости уровней боковых излучений (УБИ) синтезиро­ванной КАР от их заданных значений (обозначенных F6.tp) для чебышевских ДН решеток различных волновых размеров. На рисунке 3 представлены резуль­таты исследования 60- и 180-элементной КАР (kR = 30 и 90 соответственно; 2\|/с = 160°; А/= 0,5 X). Кривые 1 (рисунок 3) характеризуют поведение УБИ кольцевых антенных решеток, синтезированных без учета направленных свойств их элементов, т.е. для случая изотропных излучателей КАР. Кривые 2 получены в результате решения задачи синтеза с учетом диаграммы направ­ленности излучающих элементов КАР.

"4°13   15            20             25             30             35     -^б.тр,дБ      "   13   15                20             25             30            35    -^б.тр,ДБ

а)б)

а — 60-элементная антенная решетка; б — 180-элементная антенная решетка Рисунок 3 - Уровень бокового излучения синтезированных КАР

Анализ полученных результатов позволил сделать выводы:

    • минимально достижимый УБИ кольцевых антенных решеток, синтези­рованных без учета направленных свойств элементов, ограничивается значе­ниями от -23 до -27 дБ;
    • учет диаграммы направленности элементов КАР на этапе решения за­дачи синтеза позволяет достигать значений параметра F6 = -31.. .-41 дБ;
    • эффективность синтеза с учетом направленных свойств элементов КАР возрастает по мере увеличения волновых размеров антенной решетки за счет снижения потерь в уровне бокового излучения;
    • для сокращения вычислительных затрат при синтезе КАР в качестве Fi„((p) могут использоваться ДН излучателя Гюйгенса. При этом потери УБИ составляют не более 1.. .2 дБ.

    На основании предложенного метода синтеза получено аналитическое решение задачи синтеза кольцевого излучателя. Приведен вывод частного ана-

    9


    литического решения задачи синтеза антенны в виде полного кольца, состав­ленного из изотропных излучателей. В соответствии с ним коэффициенты раз­ложения щ и bi определяются соотношениями

    /,(fcF;)exp

    а, =---------

    -г

    г.тсП

    71

    ^|^тр(ф)8Іп[/(ф0-ф)]сІф,


    -i*L)

    /,(fc/?)exp

    bt=                  ^        ^fF ((p)cos[z((p0-(p)]dcp,

    где Ftp(9) - требуемая диаграмма направленности.

    Полученное аналитическое решение может быть обобщено для широкого круга задач синтеза антенн, в том числе синтеза кольцевых и криволинейных, непрерывных и дискретных (эквидистантных и неэквидистантных) излучаю­щих систем, с учетом направленных свойств их элементов и для различной формы требуемых ДН. Достоверность полученного аналитического решения за­дачи синтеза проверена путем сопоставления основных результатов синтеза с результатами тестового примера, рассмотренного в монографии Л. Д. Бахраха и С. Д. Кременецкого «Синтез излучающих систем».

    В третьей главе проведены исследования влияния на характеристики и параметры чебышевских КАР различных дестабилизирующих факторов, таких как ошибки установки излучающих элементов, разброс коэффициентов пе­редачи приемо-передающих (цифровых) трактов и разрядность аналого-цифровых каналов. Данный вопрос рассматривался с точки зрения устойчиво­сти решений задачи синтеза, полученных с помощью предложенного метода в реальных условиях производства КАР.

    Проведен сравнительный анализ рассчитанных статистических харак­теристик и параметров кольцевых и дуговых антенных решеток, который показал общие закономерности. Выполненные исследования позволили сде­лать ряд выводов и рекомендаций по разработке таких антенн. В частности определенно, что наибольшее влияние на форму и параметры ДН оказывают ошибки установки излучающих элементов КАР. Поэтому при изготовлении кольцевых (дуговых) антенных решеток необходимо стремиться обеспечить установку излучающих элементов с точностью 0,01 X.

    Использование оперативно уточненной в процессе работы радиоэлек­тронной системы информации о положении излучателей антенной решетки на этапе решения задачи синтеза предложенным методом обеспечивает снижение потерь направленных свойств таких антенн на 3.. .5 дБ.

    Необходимо производить предварительную настройку приемо­передающих (цифровых) каналов в целях получения идентичных модулей ко-

    10


    эффициентов передачи с точностью 1,5...2,0%. Длина разрядной сетки цифро­вых каналов КАР в значительной степени определяется формой требуемой ДН и должна составлять порядка 8... 10 разрядов.

    В четвертой главе рассмотрены особенности применения предложенно­го метода синтеза к цифровым КАР. По аналогии с линейными антенными решетками цифровое диаграммообразование в КАР заключается в обеспе­чении фазовой компенсации набегов фаз взвешенных сигналов, распреде­ленных по криволинейной поверхности излучателей:

    F{(?) = N-lfjWnX„exp[-ikRcos{(?-^n)],

    п=\

    где Хп - цифровые отсчеты напряжений сигналов п-то излучателя;

    Wn - комплексные весовые коэффициенты, рассчитанные на основе предло­женного метода синтеза, которые обеспечивают формирование ДН с требуемыми свойствами.

    11

    Разработаны экспериментальная модель и методика измерения характери­стики направленности цифровой КАР. Вид модели КАР показан на рисунке 3. Она представляет собой излучающую систему (kR = 11,7), состоящую из 21 из­лучателя. Продольные вибраторы равномерно расположены над проводящим цилиндрическим экраном (диаметром 32,2 см и высотой 40 см) на расстоянии 0,25 X от его поверхности. При этом в составе антенной решетки используется 20 пассивных, нагруженных на согласованные нагрузки, и один активный излу­чатель. Рабочая длина волны составляет 10 см. Она выбиралась исходя из необ­ходимости обеспечения точности изготовления проволочных излучающих эле­ментов и сравнительно небольших размеров КАР.


    Активный элемент модели цифровой КАР представляет собой полувол­новой вибратор с четвертьволновой симметрирующей приставкой (рису­нок 4, а). Пассивные излучатели также являются полуволновыми вибраторами, между плечами которых способом пайки закреплены планарные СВЧ-резисторы типа С-31 номиналом 51 Ом (рисунок 4, б).

    а)б)

    а - активный; б - пассивный

    Рисунок 4 - Излучающие элементы цифровой КАР

    Суть методики измерения характеристики направленности заключается в замене обработки одномоментно принятых сигналов всех элементов решетки на обработку последовательности сигналов единственного активного элемента при последовательном его расположении на месте очередного пассивного эле­мента путем поворота КАР на угол А\|/. При этом методика измерения характе­ристики направленности таких антенн включает следующую последователь­ность операций:

    1. Строится модель приемной КАР из одного активного и остальных пассивных излучающих элементов. Пассивные излучатели нагружаются на со­гласованные нагрузки.
    2. Проводится измерение ДН активного излучателя в составе излучаю­щей системы одним из известных способов.
    3. Проводится измерение амплитуды и фазы сигнала на выходе активно­го излучателя при установке его в положение первого излучателя.
    4. Активный элемент КАР устанавливается в положение очередного из­лучателя путем поворота антенны на угол А\|/. Проводится измерение амплиту­ды и фазы сигнала на выходе активного излучателя. Данный пункт повторяется для угловых положений оставшихся излучателей КАР.
    5. Формируется диаграмма направленности КАР путем взвешенного сложения измеренных значений сигналов с весовыми коэффициентами, рас­считанными в соответствии с предложенной методикой синтеза.

    Экспериментальное исследование модели цифровой КАР было выполне­но в безэховой камере кафедры радиотехники У О «В А РБ». Для измерения ам-

    12


    плитуд и фаз сигнала использовались известные схемы измерения. Это позво­лило избежать значительных финансовых затрат, связанных с построением полноценного цифрового канала обработки сигнала. Само исследование вы­полнялось в четыре этапа. На первом этапе была измерена амплитудная ДН активного элемента в составе КАР. На втором и третьем - амплитуда и фаза сигналов на выходе активного вибратора для 21 углового положения излуча­теля КАР. На четвертом этапе после необходимой обработки полученных экспериментальных данных проводилось формирование требуемой характе­ристики направленности.

    На примере экспериментально измеренной реализации сигналов излуча­телей модели цифровой КАР показана возможность формирования различных ДН (в том числе в реальном масштабе времени), управляемых по форме и па­раметрам. При этом изменению подлежали только комплексные весовые коэф­фициенты, рассчитанные в соответствии с предложенным методом синтеза.

    На рисунке 5 представлены некоторые экспериментально измеренные характеристики направленности 11-элементной ДАР (21-элементной КАР с 2\|/с = 190°). Кривая 1 характеризует ДН для случая равномерного амплитудно­го и скомпенсированного фазового распределений, т.е. когда комплексные весо­вые коэффициенты Wn = 1. Кривые 2-4 - результат синтеза ДН с управляемой шириной главного лепестка (2ф0,5 = 20; 30; 40°) и с фиксированным УБЛ (F6 = -20 дБ), заданными в виде полинома Чебышева.

    А

    Яф), дБ о

    Рисунок 5 - Диаграммы направленности 21-элементной цифровой КАР

    13


    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Основные научные результаты диссертации

    1. Разработан метод синтеза кольцевых антенных решеток, позволяющий

    учитывать направленные свойства излучающих элементов [2-А, 3-А]. Он явля­

    ется развитием известных методов синтеза антенн, таких как метод интегра­

    ла Фурье, метод парциальных диаграмм и собственных функций, применяемых

    в основном в приложении к линейным антеннам.

    Отличительным признаком предложенного метода от ранее известных методов синтеза антенн является использование базисных функции Zsz(cp) и Zcz(cp), которые учитывают как конструктивные особенности антенной решет­ки, так и направленные свойства излучающих элементов [2-А, 5-А].

    Метод позволяет эффективно (по критерию среднеквадратической близо­сти синтезированной и требуемой диаграмм 2 ... 10 %) решать задачи синтеза кольцевых антенных решеток при формировании чебышевских, косеконсных и многолучевых диаграмм направленностей [6-А].

    Применение данного метода в кольцевых антенных решетках с цифро­вым диаграммообразованием позволяет синтезировать характеристики направ­ленности с управляемыми, в том числе в реальном масштабе времени, пара­метрами и формой [7-А, 12-А].

    1. Разработана методика численного расчета амплитудно-фазового распре­деления в пределах заданного активного сектора кольцевой антенной решетки по требуемой диаграмме направленности с учетом направленных свойств излучаю­щих элементов [6-А]. При этом задача синтеза КАР решается по критерию сред­неквадратической меры близости требуемой и синтезированной диаграмм на­правленности с использованием метода наименьших квадратов. Для КАР с ак­тивным сектором (2\|/с < 360°) в целях устранения некорректности решаемой за­дачи синтеза используется регуляризация решения [2-А, 3-А, 4-А].
    2. Получено аналитическое решение задачи синтеза для непрерывной из­лучающей системы в виде кольца. Данное решение может быть обобщено для широкого круга задач синтеза антенн, в том числе синтеза кольцевых и криво­линейных, непрерывных и дискретных (эквидистантных и неэквидистантных) излучающих систем, с учетом направленных свойств их элементов и для тре­буемых ДН сложной формы [5-А].
    3. Получены новые результаты статистических исследований чебышевских кольцевых антенных решеток с заданным размером активного сектора. С их по­мощью можно оценить влияние на характеристики и параметры таких антенн раз­личных неидентичностей излучающих модулей, таких как ошибки установки из­лучателей,  разброс коэффициентов передачи приемо-передающих (цифровых)

    14


    трактов, а также разрядной сетки аналого-цифровых каналов [1-А, 3-А, 4-А, 13-А].

    5. Разработаны экспериментальная модель и методика измерения ха­

    рактеристики направленности цифровой кольцевой антенной решетки. Они

    позволяют обеспечить идентичность приемопередающих цифровых кана­

    лов кольцевой антенной решетки, а также снижение затрат на этапе иссле­

    дования таких антенн [7-А, 12-А].

    Отличительной особенностью разработанной модели и методики синтеза ЦКАР является применение в составе антенной решетки только одного актив­ного элемента в окружении пассивных излучателей, нагруженных на согласо­ванные нагрузки. При этом обработка одномоментно принятых сигналов всех излучающих элементов решетки заменяется обработкой последовательности сигналов единственного активного элемента при последовательном его распо­ложении на месте очередного элемента [7-А, 12-А].

    6. Представлены результаты экспериментальных исследований 21-

    элементной ЦКАР. Они позволяют сделать вывод о достоверности и доказа­

    тельности представленных в работе результатов, полученных с помощью пред­

    ложенного метода синтеза кольцевых антенных решеток.

    Для исследованной модели ЦКАР реально достижимые значения шири­ны главного лепестка ДН ограничиваются пределами от 14,4 до 32° (коэффи­циент расширения Кр = 2,2), а УБЛ F6> -23 дБ.

    Измеренные значения амплитуды и фазы сигналов на выходе всех излу­чателей 21-элементной КАР, а также их ДН могут быть использованы специа­листами в области антенной техники при решении прикладных задач анализа и синтеза кольцевых антенных решеток.

    Рекомендации по практическому использованию результатов

    Разработанный метод синтеза кольцевых антенных решеток целесооб­разно использовать для обеспечения требуемых направленных свойств радио­технических систем с цифровыми кольцевыми или цилиндрическими антен­ными решетками. Это позволит повысить эффективность решаемых данными системами задач путем формирования управляемой по форме и параметрам диаграммы направленности, характерной для конкретного режима работы.

    Разработанная методика численного решения задачи синтеза антенн [6-А] использовалась на предприятии РБ ОАО «КБ Радар» при разработке ал­горитмов управления амплитудно-фазовым распределением кольцевой фазиро­ванной антенной решетки опытного образца изделия «Роса-РБ», о чем получен акт практического использования.

    Одним из перспективных направлений дальнейших исследований явля­ется развитие предложенного метода в направлении синтеза двумерных антен-

    15


    ных решеток (цилиндрических, конических, сферических и т.д.).

    Метод может быть использован при формировании требуемых направ­ленных свойств линейных и криволинейных (у которых форма излучающего раскрыва определяется конфигурацией объекта, на котором они устанавлива­ются) антенных решеток. При синтезе криволинейной антенной решетки необ­ходимо учитывать различие ДН излучателей в составе излучающей системы, что, естественно, усложняет решение задачи.

    Одной из сложных и актуальных на сегодняшний день проблем теории и техники антенн является конструктивный синтез. Ввиду особенностей исполь­зуемых в предложенном методе синтеза базисных функций Zsz(cp) и Zcz(cp), ко­торые учитывают конструктивные параметры кольцевой антенной решетки, существует возможность вывода специальных целевых функций (критериев), позволяющих решать задачи конструктивного синтеза таких антенн.

    Проведенные исследования влияния различных дестабилизирующих факторов на средние характеристики КАР в рамках НИР (шифр «Кольцо РБ 2011») [13-А] позволили сделать ряд выводов и рекомендаций по разработке таких антенн. В частности определенно, что наибольшее влияние на форму и параметры ДН оказывают случайные ошибки установки излучателей КАР. По­этому при изготовлении кольцевых антенных решеток необходимо стремиться обеспечить их установку с точностью не хуже ±0,01 X. Использование опера­тивно уточненной в процессе работы радиоэлектронной системы информации о положении излучателей антенной решетки на этапе решения задачи синтеза предложенным методом обеспечивает снижение потерь направленных свойств таких антенн на 3...5дБ. Следует проводить предварительную настройку приемопередающих (цифровых) каналов в целях получения идентичных моду­лей коэффициентов передачи с точностью около 1,5...2,0%. Длина разрядной сетки цифровых каналов КАР в значительной степени определяется формой требуемой ДН и должна составлять порядка 8... 10 разрядов. Проанализирова­но влияние разброса конструктивных параметров на средние характеристики МРЛС «Роса-РБ», о чем свидетельствует акт практического использования.

    Разработанная методика измерения характеристик направленности ЦКАР может использоваться на предприятиях радиоэлектронной промышленности Республики Беларусь. Она позволят сократить затраты на этапе проектирова­ния таких антенн и обеспечить идентичность приемопередающих цифровых каналов, при уменьшении количества необходимых трактов с N до одного.

    16


    СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ

    Статьи в научных журналах

    1-А. Калинин, А. А. Численное моделирование кольцевой антенной ре­шетки / А. А. Калинин, А. Г. Романович // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. -2009.-№1 (22). - С. 62-67.

    2-А. Калинин, А. А. Метод численного синтеза чебышевских кольцевых антенных решеток / А. А. Калинин, А. Г. Романович // Докл. БГУИР. - 2010. -№7 (53).-С. 5-11.

    3-А. Романович, А. Г. Влияние неидентичностей излучающих модулей на характеристики и параметры кольцевых антенных решеток / А. Г. Романович, А. А. Калинин // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. - 2010. - № 4. - С. 66-72.

    4-А. Калинин, А. А. Влияние неидентичностей излучающих модулей на характеристики и параметры дуговых антенных решеток / А. А. Калинин, А. Г. Романович // Сб. науч. ст. Воен. акад. Респ. Беларусь. - 2010. - № 19. -С. 78-83.

    5-А. Романович, А. Г. Аналитическое решение задачи синтеза криволи­нейного излучателя / А. Г. Романович // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. -2011.-№1.-С. 98-104.

    6-А. Романович, А. Г. Методика синтеза кольцевых антенных решеток /

    A. Г. Романович, А. А. Калинин // Сб. науч. ст. Воен. акад. Респ. Беларусь. -

    2011. -№20. -С. 63-68.

    7-А. Романович, А.Г. Результаты экспериментальных исследований циф­ровой кольцевой антенной решетки / А. Г. Романович // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. - 2011. - № 2. - С. 80-85.

    Статьи в материалах научных конференций

    8-А. Романович, А. Г. Численный синтез и моделирование кольцевой ан­тенной решетки / А. Г. Романович, А. А. Калинин // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: 10-я Междунар. межвуз. конф. студентов, магистрантов и аспирантов: сб. тез. докл., Гомель, 29-30 апр. 2010 г. / Гомельский гос. техн. ун-т им. П. О. Сухого Респ. Беларусь. - Гомель, 2010.-С. 443-447.

    9-А. Романович, А. Г. Управление формой диаграммы направленности цифровой кольцевой антенной решетки / А. Г. Романович, А. А. Калинин // Материалы 5-й Междунар. науч. конф. по воен.-техн. проблемам обороны и безопасности, использованию технологий двойного применения, Минск, 25-26 мая 2011 г. / Гос. воен. пром. комитет Респ. Беларусь, ГУ «Белорусский ин-т. систем,   аналит.   и   информац.   обеспечения   науч.-техн.   сферы»;   редкол.:

    B. Е. Кратенок [и др.]. - 2011. - С. 141-144.

    17


    Тезисы докладов в материалах конференций

    10-А. Калинин, А. А. Синтез кольцевой антенной решетки / А. А. Калинин, А. Г. Романович // Проблемные вопросы теории и практики во­енного строительства и военного искусства, создание и модернизация воору­жения в современных условиях, пути их решения: 10-я воен.-науч. конф. Воен. акад. Респ. Беларусь: сб. тез. докл., Минск, 9-10 апр. 2009 г. / УО «ВАРБ». -Минск, 2009.-С. 331.

    11-А. Романович, А. Г. Методика синтеза кольцевой антенной решетки / А. Г. Романович, А. А. Калинин // Актуальные аспекты инновационного разви­тия вооруженных сил с учетом характера войн будущего: тез. и докл. Между-нар. воен.-науч. конф., Минск, ВАРБ, 30-31 марта 2011г. / УО «ВАРБ». -Минск, 2011. -Ч. III. -С. 6.

    12-А. Романович, А. Г. Численный синтез многолучевой кольцевой ан­тенной решетки / А. Г. Романович, А. А. Калинин // Новые направления разви­тия приборостроения: тез. и докл. 3-й Междунар. студ. науч.-техн. конф., Минск, 21-23 апр. 2010 г. / Бел. нац. техн. ун-т; редкол.: О. К. Гусев [и др.]. -Минск, 2010.-С. 265.

    Отчеты о НИР

    13-А. Синтез кольцевой антенной решетки и анализ влияния дестабили­зирующих факторов на ее направленные свойства: отчет о НИР / УО «ВАРБ»; рук. А. А. Калинин. - Минск, 2011. - 51 с. - № 1336/11.

    18


    РЭЗЮМЭ

    Рамановіч Аляксандр Генадзевіч

    Сінтзз кальцавых антэнных рашотак зададзенай канструкцьіі з улікам дыяграмы накіраванасці выпраменьваючага элемента

    Ключавыя словы: кальцавая антэнная рашотка, метад сштэзу, методыка лікавага сштэзу, экспериментальная мадэль, методыка вымярэння характарьістьікі накіраванасці.

    Мэта працы - пашырэнне магчымасцей кальцавых антэнных рашотак па фарміраванні дыяграм накіраванасці (ДН) зададзенай формы.

    Атрыманыя вьінікі і іх навізна: у дысертацыйнай рабоце распрацаваны метад сінтззу кальцавой антэннай рашоткі, які дазваляе праводзіць разлік амплітудна-фазавага размеркавання у межах зададзенага актыунага сектара ан­тэннай рашоткі, а таксама улічваць накіраваньія уласцівасці выпраменьваючых элементау. На яго аснове распрацавана методыка лікавага сштэзу кальцавых антэнных рашотак. Пры гэтым задача сштэзу такіх антэн вырашаецца з дапа-могай выкарыстання метаду найменшых квадратау, а для выпадку дугавых ан­тэнных рашотак выкарыстоуваецца рэгулярызацыя рашэння. Атрымана аналітьічнае рашэнне задачы сштэзу для бесперапыннай выпраменьваючай сістзмьі у выглядзе кольца. Гэта рашэнне можа быць абагульнена для рада за­дач сштэзу антэн, у тым ліку сінтззу кальцавых і крьівалінейньіх, бесперапын-ных і дыскрэтных (зквідьістантньіх і незквідьістантньіх) выпраменьваючых сістзм з улікам накіраваньіх уласцівасцей іх элементау і для розных форм пат-рэбных ДН. Атрыманы новыя вьшікі статыстычных даследаванняу чзбьішаускіх кальцавых антэнных рашотак з неідзнтьічнасцямі выпраменьваю­чых модуляу рознага характару.

    Распрацаваны эксперыментальная мадэль і методыка вымярэння характарьістьікі накіраванасці лічбавай кальцавой антэннай рашоткі. Яны даз-валяюць забяспечыць ідзнтьічнасць прыёма-перадаючых лічбавьіх каналау кальцавой антэннай рашоткі, а таксама паніжзнне затрат на этапе даследаванняу такіх антэн. Прадстаулены вьшікі эксперыментальных даследаванняу 21-элементнай кальцавой антэннай рашоткі з лічбавьім фарміраваннем дыяграмы накіраванасці.

    19


    РЕЗЮМЕ

    Романович Александр Геннадьевич

    Синтез кольцевых антенных решеток заданной конструкции с учетом диаграммы направленности излучающего элемента

    Ключевые слова: кольцевая антенная решетка, метод синтеза, методика численного синтеза, экспериментальная модель, методика измерения характеристики направленности.

    Цель работы - расширение возможностей кольцевых антенных решеток по формированию диаграмм направленности (ДН) заданной формы.

    Полученные результаты и их новизна: в диссертации разработан метод синтеза кольцевой антенной решетки, позволяющий проводить расчет ампли­тудно-фазового распределения в пределах заданного активного сектора антен­ной решетки, а также учитывать направленные свойства излучающих элемен­тов. На его основе разработана методика численного синтеза кольцевых антенных решеток. При этом задача синтеза таких антенн решается с помощью применения метода наименьших квадратов, а для случая дуговых антенных решеток используется регуляризация решения. Получено аналитическое решение задачи синтеза для непрерывной излучающей системы в виде кольца. Это решение может быть обобщено для ряда задач синтеза антенн, в том числе синтеза кольцевых и криволинейных, непрерывных и дискретных (эквиди­стантных и неэквидистантных) излучающих систем, с учетом направленных свойств их элементов и для различных форм требуемых ДН. Получены новые результаты статистических исследований чебышевских кольцевых антенных решеток с неидентичностями излучающих модулей различного характера.

    Разработаны экспериментальная модель и методика измерения характе­ристики направленности цифровой кольцевой антенной решетки. Они позволяют обеспечить идентичность приемо-передающих цифровых каналов кольцевой антенной решетки, а также снижение затрат на этапе исследований таких антенн. Представлены результаты экспериментальных исследований 21-элементной кольцевой антенной решетки с цифровым формированием ди­аграммы направленности.

    20


    SUMMARY

    Romanovich Alexander Gennadevich

    Synthesis of circular arrays of the set design taking into account the directional pattern of the radiating element

    Keywords: circular array, synthesis method, technique of numerical synthesis, experimental model, technique of measurement of the directional characteristic.

    The work purpose is extension of capabilities of circular arrays to generate directional patterns of specified shapes.

    The results obtained and their novelty: in the thesis work the new method of synthesis of circular array is developed, that allows to calculate amplitude-phase distribution within the given active sector of the antenna array, it also allows to consider the directional characteristics of radiating elements. On its basis the technique of numerical synthesis of circular arrays is developed. Thus the problem of synthesis of such antennas is being solved with use of the least squares method, and for arc arrays the regularization method is used. The analytical solution to the problem of synthesis for continuous radiating system in the form of a ring is found. This solution can be generalised for a wide range of problems of synthesis of antennas, including synthesis of circular and curvilinear, continuous and discrete (homogeneous and nonuniformly spased) radiating systems, taking into account the directional characteristics of their elements and for various forms of the required radiation patterns. New results of statistical researches of Chebyshev circular arrays with various nonidentities of radiating modules are obtained.

    The experimental model and the technique of measurement of the directional characteristic of digital circular array are developed. They allow to provide identity of receiving-transmitting digital channels of circular array and also decrease in expenses at the stage of researches of such antennas. The results of experimental researches of a 21-element digital circular array are given.

    21


    Научное издание

    Романович Александр Геннадьевич

    СИНТЕЗ КОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

    ЗАДАННОЙ КОНСТРУКЦИИ С УЧЕТОМ ДИАГРАММЫ

    НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

    Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

    по специальности 05.12.07 - антенны, СВЧ устройства и их технологии

    Подписано в печать      1.01.2012.        Формат 60x84 1/16.                     Бумага офсетная.

    Гарнитура «Тайме».                          Отпечатано на ризографе.                Усл. печ. л.

    Уч.-изд. л.                                          Тираж 60 экз.                                     Заказ 681.

    Издатель и полиграфическое исполнение: учреждение образования

    «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

    ЛИ №02330/0494371 от 16.03.2009. ЛИ №02330/0494175 от 03.04.2009.

    220013, Минск, П. Бровки, 6

     





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.