Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кийко Віктор Іванович
УДК 538.3: 621.396.677
ДОСЛІДЖЕННЯ БАГАТОПРОМЕНЕВИХ АНТЕН ДЛЯ
АЕРОКОСМІЧНИХ СИСТЕМ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ
ПІДСТИЛАЮЧОЇ ПОВЕРХНІ
01.04.03 - радiофiзика
А в т о р е ф е р а т
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
кандидата фiзико-математичних наук
ХАРКІВ - 1999
Дисертацiєю є рукопис.
Робота виконана в Xаркiвському державному унiверситеті
Міністерства освіти України.
Науковий керiвник: доктор фiзико-математичних наук, професор
Горобець Микола Миколайович,
Xаркiвський державний унiверситет,
завiдувач кафедри прикладної електродинаміки.
Офiцiйнi опоненти: доктор фiзико-математичних наук,
старший науковий співробітник
Колчигін Микола Миколайович,
Xаркiвський державний унiверситет,
виконуючий обов'язки завідувача кафедри теоретичної радіофізики, професор кафедри теоретичної радіофізики.
кандидат фiзико-математичних наук, доцент
Должиков Володимир Васильович,
Харківський технічний університет радіоелектроніки,
професор кафедри основ радіотехніки.
Провiдна установа: Радіоастрономічний інститут НАН України,
відділ міліметрових радіотелескопів, м. Харкiв.
Захист вiдбудеться " 01 " липня 1999 р. о 14 годині на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 64.051.02 Xаркiвського державного унiверситету (310077, м. Xаркiв, майдан Свободи, 4, ауд. 3-9).
З дисертацiєю можна ознайомитись у Центральнiй науковiй бiблiотецi Харкiвського державного унiверситету (310077, м. Харкiв, майдан Свободи, 4).
Автореферат розiсланий " 1 " червня 1999 р.
Вчений секретар
спецiалiзованої вченої ради Ляховський А.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В засобах дистанційного зондування поверхні Землі і її атмосфери (ДЗЗА) використовують весь доступний сучасній техніці спектр електромагнітних хвиль - від ультафіолетових до радіохвиль. При цьому використання радіометричних методів, що грунтуються на вимірюванні радіотеплового випромінювання в діапазоні хвиль від 1 до 100 ГГц, дозволяє збільшити обсяг одержуваної інформації і підвищити надійність даних про стан атмосфери і поверхні Землі і робить засоби ДЗЗА незалежними від погоди і освітленості. Однак на відміну від оптичного і інфрачервоного діапазонів засоби вимірювання в НВЧ-діапазоні дають менше просторове розділення, меншу чутливість в елементі розділення і меншу точність виміру радіояркісної температури.
Одним з основних елементів систем ДЗЗА, що визначають ці характеристики, є антени радіометрів. При розміщенні радіометрів на борту аерокосмічних носіїв на габарити антен накладаються жорсткі обмеження. Тому для підвищення розділювальної спроможності і чутливості радіометрів ідуть по шляху отримання максимально досяжного коефіцієнта використання поверхні (КВП) антени і мінімальних рівнів бокових пелюсток (РБП). Задача створення таких антен ще більше ускладнюється у випадку панорамних радіометрів, коли необхідно використовувати багатопроменеві антенні системи, що працюють в декількох частотних діапазонах з широкою смугою частот і виділенням сигналів з ортогональними поляризаціями. У цьому випадку необхідно забезпечити пересічення парціальних діаграм напрямленості (ДН) за рівнем -3 дБ при РБП, що не перевищує -20 дБ, і високій розв'язці між каналами.
Виконання всіх цих екстремальних вимог призводить до протиріччя, і тому необхідно шукати компромісне рішення поставленої задачі створення антен панорамних радіометрів. У зв'язку з цим виникає необхідність в розробці ефективних і вірогідних алгоритмів і програм розрахунку енергетичних і напрямлених характеристик випромінюючих систем, які б дозволили проводити оптимізацію цих систем за рядом параметрів. Крім того, необхідно шукати нові елементи для випромінюючих систем, щоб задовольнити електродинамічним та масогабаритним вимогам, які пред'являються до радіометричних систем аерокосмічного базування, розробляти їх математичні моделі і проводити розрахунки характеристик випромінювання. Важливим також є підвищення точності розрахунку характеристик напрямленості випромінюючих систем, особливо в області бокового і заднього випромінювання.
Сучасні аерокосмічні носії мають на своєму борту велику кількість антен, що працюють водночас на співпадаючих частотах. Це призводить до порушення нормальної роботи радіоелектронних систем, що використовують ці антени, і тому виникає задача забезпечення електромагнітної розв'язки бортових радіовипромінюючих систем. Ця задача може бути вирішена як шляхом створення антен із спеціальною формою ДН, що важко реалізувати, так і електродинамічними засобами ослаблення паразитної хвилі при розповсюдженні її між антенами.
Таким чином, актуальність теми дослідження зв'язана з практичними потребами в створенні панорамних радіометричних систем ДЗЗА з високим просторовим розділенням і високою чутливістю в елементі розділення в умовах обмежень, що накладаються на масогабаритні параметри антен при використанні їх на борту аерокосмічних носіїв. Такі системи дозволять отримати максимальний обсяг інформації при її обробці в реальному масштабі часу.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, проведених в Харківському державному університеті за міжвузівською програмою “Випромінювання” (номери держ. реєстрації 8107462 (1981 - 1985 рр.) і 0.187. 0004411 (1986 - 1990 рр.)), зв'язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки (п. 7 - “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації систем зв'язку”) в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти України і держбюджетними НДР кафедри прикладної електродинаміки (номери держ. реєстрації - UA01008658P, UA01008659P, 0194U018566, 0194U018563, 0197U001220, 197U015799 (1993 - 1998 рр.)).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є дослідження електродинамічних характеристик випромінюючих систем для панорамних радіометрів ДЗЗА аерокосмічного базування і отримання гранично досяжних характеристик їх по коефіцієнту підсилення, ширині головного пелюстка ДН і мінімуму бокового випромінювання. Згідно з цим в процесі роботи ставилися і вирішувалися такі задачі:
розробка математичних моделей випромінюючих систем і їх елементів і створення високоефективних алгоритмів, що забезпечуюють високу точність розрахунку характеристик випромінювання таких систем;
дослідження, оптимізація характеристик випромінювання і розробка зразків багатопроменевих багатодіапазонних дзеркальних антен і плоских багатопроменевих і скануючих антенних решіток з високим рівнем пересічення парціальних ДН і низьким рівнем бокових пелюсток;
дослідження можливості зменшення бокового випромінювання плоских антенних решіток шляхом змінення форми апертури решітки і амплітудного розподілу джерел поля в ній;
забезпечення електромагнітної сумісності одночасно працюючих радіоелектронних систем аерокосмічного базування.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вирішена задача розрахунку характеристик випромінювання дзеркальних антен з поверхнею дзеркала, що складається з плоских апроксимуючих трикутників.
2. Досліджені характеристики напрямленості багатокільцевих антен, збуджених струмом біжучої хвилі. Виявлені можливості конічного сканування променя і формування ДН необхідної форми в таких випромінюючих системах.
3. Досліджені фізичні закономірності ослаблення електромагнітної хвилі, що розповсюджується над площиною в присутності періодичної резонансної гребінчастої структури кінцевих поздовжніх розмірів, що дозволяє забезпечити розв'язку бортових антен.
4. Запропонована і вперше досліджена антена витікаючої хвилі з коловою поляризацією поля малих поздовжніх розмірів і високим ККД. Експериментально одержані залежності сталої розповсюдження хвилі вздовж випромінюючої структури, виконаної у вигляді хвилевідно-щілинної антени витікаючої хвилі, що складається з лінійних решіток поздовжніх і поперечних щілин, від параметрів решіток.
5. Розроблено алгоритм оптимізації за рівнем бокових пелюсток двоканальної нееквідистантної антенної решітки з двополяризаційними випромінюючими елементами, що працює в ортогональному лінійно-поляризованому базисі.
6. Виявлені закономірності зміни РБП і ширини ДН плоскої випромінюючої апертури з еквідистантним розташуванням ізотропних випромінювачів від форми апертури та виду і п`єдесталу амплітудного розподілу джерел поля на її елементах.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Розглянутий в дисертації метод розрахунку дзеркальних антен, поверхня яких апроксимована плоскими трикутниками, дозволяє одержати з високою точністю характеристики напрямленості великих багатопроменевих дзеркальних антен, що розгортаються.
2. Багатопроменеві багаточастотні дзеркальні антени і плоскі багатопроменеві та скануючі антенні решітки, які було розроблено, виготовлено та досліджено за участю автора, використані в панорамних радіометрах-поляриметрах ДЗЗА на борту літака-лабораторії. Накопичений досвід дозволяє реалізувати панорамні радіометри не тільки на основі скануючих, але й на основі багатоканальних багатопроменевих антенних систем.
3. Розроблена гребінчаста розв'язуюча структура, яка може бути використана як елемент антени для зменшення її бокового випромінювання.
4. Досліджені антенні решітки з круглою формою апертури і її гребінчастим краєм при спадаючому амплітудному розподілі джерел поля мають число елементів решітки в два рази меньше порівняно з еквідистантною антенною решіткою.
5. Запропоновані багатокільцеві антени, що збуджуються струмом біжучої хвилі, можуть бути використані як бортові пеленгаційні антени з конічним електричним скануванням променя.
Особистий внесок здобувача. Здобувач самостійно одержав основні результати, викладені в дисертації. У спільних роботах здобувачу належить розробка алгоритмів і програм розрахунку характеристик діаграмоутворюючих схем і плоских антенних решіток та їх розрахунки, а також здобувач брав участь у постановці задач дослідження, проведенні розрахунків, в проектуванні і виготовленні експериментальних макетів, в проведенні вимірів, аналізі отриманих результатів вимірів і порівнянні їх з результатами розрахунків.
Аналіз фізичних закономірностей, які виявлено в результаті досліджень, проведено співавторами спільно.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були апробовані на таких симпозіумах, конференціях і семінарах: XXVI Міжвідомчій науково-технічній конференції з теорії і техніки антен (Москва, 1990 р.); IV Всесоюзному симпозіумі з міліметрових і субміліметрових хвиль (Харків, 1984 р.); Міжвідомчій науково - технічній нараді (Мінськ, 1989 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "ФАР-90” (Казань, 1990 р.); I Українському симпозіумі "Фізика і техніка міліметрових і субміліметрових радіохвиль" (Харків, 1991 р.); III Українській конференції "Виміри в області ЕМС" (Вінниця, 1991 р.); Всесоюзних симпозіумах "Проблеми електромагнітної сумісності технічних засобів" (Суздаль, 1991р.) і "Електромагнітна сумісність технічних засобів" (С.-Петербург, 1992 р.); IV Міжнародній науково-технічній конференції "Засоби подання і обробки випадкових сигналів і полів" (Харків, 1993 р.); 12-th Int. Wroclav Symp. and Exhibition on Electromagnetic Compatibility, (Wroclav, 1994 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасна радіолокація" (Київ, 1994р.); Міжнародній конференції з теорії і техніки антен 'МКТТА-97” (Київ, 1997 р.); 7-й і 8-й Міжнародних Кримських мікрохвильових конференціях (Севастополь, 1997 і 1998 рр.); 14 - Int. Conf. Applied Electromag. and Communications 'ICECOM-97” (Dubrovnik, 1997 р.); 3-d Int. Kharkov Symp. “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”, 'MSMW-98” (Kharkov, 1998р.)
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 5 статтях в наукових журналах, 1 роботі, виданій на препринті, матеріалах і тезах зазначених вище наукових конференцій і симпозіумів.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури, що цитується, із 100 найменувань на 11 стор. і чотирьох додатків на 26 стор. Обсяг роботи - 252 стор., їз них 149 стор. основного тексту, 60 стор. ілюстрацій і 1 стор. таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі наведено стислий огляд літератури, присвяченій сучасному стану ДЗЗА, обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і поставлено задачі, дано загальну характеристику дисертації.
У першому розділі розглянуті питання створення дзеркальних антен радіометрів і їхніх опромінюючих систем. На основі огляду літератури вибрано оптимальну схему побудови багатопроменевих дзеркальних антен радіометрів з рефлектором у вигляді сферо-параболоїда і винесеним опромінюванням, а для розрахунку характеристик напрямленості дзеркальних антен вибрано струмовий метод. Для створення алгоритму розрахунку отримано вирази для полів випромінювання дзеркальної антени у вигляді векторної характеристики випромінювання і коефіцієнта підсилення (КП). В роботі використано метод разподілу поверхні дзеркала на прямокутні області і чисельного інтегрування всередині цих областей за квадратурною формулою Гауса з n=4, розроблений А. Ф. Ляховським і В. О. Сомовим і розвинений автором в алгоритмі для оптимізації характеристик напрямленості дзеркальних антен. Результати розрахунку характеристик напрямленості дзеркальних антен, одержані за допомогою розробленого алгоритму, порівнюються з експериментальними даними для цих же антен, одержаних автором та іншими дослідниками.
Наведено результати експериментальних досліджень розрахованих і виготовлених трьох варіантів багатопроменевих дзеркальних антен, призначених для використання в панорамних радіометричних системах ДЗЗА на борту літака-лабораторії.
Розглянуто задачі, що виникають при розробці опромінювачів багатодіапазонних дзеркальних антен радіометрів. Відомо, що широкорозмірний рупорний випромінювач при збудженні в одномодовому режимі роботи хвилею нижчого типу дозволяє отримати приблизно однакові ДН в широкому діапазоні частот. Однак в таких випромінювачах існують труднощі у створенні одномодового режиму роботи і відгалуженні з широкосмугового багатомодового хвилеводу сигналів у відповідні частотні тракти. В роботі експериментально досліджуються енергетичні і напрямлені характеристики широкорозмірного триканального рупорного випромінювача з апертурою круглої і квадратної форми, що працює в діапазонах довжин хвиль 3,6 см, 2,1 см і 8 мм.
Досліджено поле випромінювання, створене системою радіально розташованих нескінченно тонких кільцевих випромінювачів, збуджених струмом біжучої хвилі. Периметри кілець відповідно рівні , 2, 3 і т. д., де - довжина хвилі в кільці. Такі випромінювачі формують відхилений від осі антени промінь.
З використанням методу вектора випромінювання і методу дзеркальних відображень одержані формули для розрахунку полів кільцевих випромінювачів, що розташовані над нескінченим екраном. За розробленими на їх основі алгоритмом і програмою розрахунку проведені дослідження характеристик напрямленості двокільцевого випромінювача в залежності від відношення амплітуд струмів в кільцях, фазової швидкості хвиль струмів в кільцях і висоти розташування кілець над екраном. З'ясувалося, що двокільцева антена має двопелюсткову форму ДН в перетині, що пролягає через вісь системи перпендикулярно до напрямку відхиленого променя. Для усунення двопелюсткової форми ДН запропоновано використати третє кільце з периметром 3. Знайдено відношення амплітуд і фаз струмів в кільцях, що забезпечують формування однопелюсткової ДН. На підставі розрахунків отримані апроксимаційні формули, що дозволяють розраховувати кут відхилення ДН, ширину ДН, крутість спаду ДН в напрямку осі системи від відношень збуджуючих струмів в кільцях і геометричних параметрів системи випромінювачів. На експериментальному макеті двокільцевої антени біжучої хвилі підтверджені результати розрахунків і визначені мінімальні розміри екрану, при якому зберігається високе значення коефіцієнта еліптичності.
Другий розділ присвячено розрахунку і дослідженню характеристик випромінювання скануючих дзеркальних антен з відбиваючою поверхнею, що апроксимується плоскими трикутниками. Як модель дослідження вибрано проект антени, що розгортається, космічного радіотелескопа КРТ-30.
За основу методу розрахунку характеристик випромінювання таких систем прийнято розглянутий в першому розділі струмовий метод розрахунку з заміною чисельного інтегрування за формулою Гауса на чисельне інтегрування за методом прямокутників. При цьому амплітуди і фази струмів на поверхні трикутника приймалися постійними і рівними їхнім значенням у центрі трикутника. Алгоритм розрахунку, що грунтується на цьому методі, відзначається простотою і швидкодією, однак точність розрахунку залежить від відносного розміру сторони трикутника l/, де - довжина хвилі у вільному просторі. Поставлена і розв'язана задача про випромінювання плоского трикутника із заданим амплітудно-фазовим розподілом (АФР) струмів на його поверхні. Для отримання розв'язку в аналітичному вигляді АФР струму на поверхні трикутника задається у вигляді апроксимуючих лінійних функцій за відомими значеннями струмів у вершинах трикутників. Амплітуди струмів бралися в їхній векторній формі, що дозволяло враховувати не тільки величину струму в кожній точці на поверхні трикутника, але і його напрямок. Поле випромінювання всієї антени знаходиться сумуванням комплексних полів випромінювання усіх апроксимуючих сферу плоских трикутників.
Наведено результати розрахунку характеристик випромінювання скануючої дзеркальної антени КРТ-30. Антени такого типу мають форму апертури дзеркала у вигляді шестикутника, що призводить до зниження її ефективності і спотворення її ДН у порівнянні з еквівалентною їй за розміром антеною з круглою апертурою. Чисельними розрахунками проведено оцінку впливу форми апертури дзеркала, а також відхилення поверхні дзеркала в такій антені від ідеальної сфери, на характеристики випромінювання.
Як відомо, сферичні дзеркала мають аберацію, тому в таких антенах необхідно проводити оптимізацію системи "дзеркало-опромінювач". Для опромінювача у вигляді пірамідального рупора з діагональним збудженням проведена оптимізація системи зміною розмірів опромінювача і фокусної відстані дзеркала. В результаті оптимізації знайдено максимальне значення КП при мінімальному значенні рівня першого бокового пелюстка для центрального променя. Далі вивчено зміну характеристик випромінювання антени при скануванні променя. За відомої умови опромінення краю дзеркала на рівні -10 дБ визначено сектор сканування променя, який для антени КРТ-30 дорівнює 60 ширин ДН. Для променя, відхиленого на максимальний кут сектора сканування, проведена оптимізація антени зміною розмірів опромінювача, фокусної відстані і відхилення осі опромінювача на невеликий кут до середини дзеркала.
Визначено зв'язок між величиною розкриву апертури сферичного дзеркала і максимальним розміром сектора сканування променя за умови зменшення КП на краю сектора відповідно на 0,5 і 3,0 дБ.
Проведено розрахунок і оптимізацію параметрів дзеркальної антени з урахуванням затінення дзеркала. Відомо, що затінення дзеркала призводить до зменшення КП антени. Показано, що оптимізацією системи "дзеркало - опромінювач" можна досягти такого ж значення КП, як і в антені без затінення, але це досягається за рахунок збільшення рівня бокових пелюстків ДН.
Третій розділ присвячено дослідженню характеристик випромінювання антенних решіток, призначених для створення багатопроменевих або скануючих панорамних бортових радіометрів. Розроблено алгоритм і програму розрахунку характеристик напрямленості антенних решіток з довільним числом випромінювачів і довільним розташуванням їх у решітці. Амплітудний і фазовий розподіл джерел поля на елементах решітки також можна задавати довільним чином. Характеристики одиночного випромінювача можуть бути задані аналітично або у вигляді масиву експериментальних даних. За допомогою розробленого алгоритму досліджені характеристики напрямленості комплексного множника плоских еквідистантних решіток. Вивчено вплив форми випромінюючої апертури, заданої у вигляді квадрату, 8-кутника, ромба і кола на характеристики випромінювання: РБП і ширину ДН. При цьому краї апертури вибиралися як регулярними, так і в вигляді гребінки. Амплітудний розподіл джерел поля на елементах апертури приймався як постійним, так і спадаючим до країв за синусоїдальним або експоненціальним законом. В результаті дослідження знайдені гранично досяжні значення РБП в таких апертурах. При практичній реалізації в плоских антенних решітках розрідження країв апертури дозволяє при ефективному зниженні бокового випромінювання водночас зменшити число випромінюючих елементів.
Далі приводяться результати теоретичних і експериментальних досліджень плоскої багатопроменевої хвилевідно-щілинної антенної решітки з діаграмо-утворюючою схемою на лінзі Ротмана. Досліджені залежності РБП і рівня пересічення парціальних ДН, що формуються лінійним випромінюючим розкривом з АФР джерел поля в ньому, створеним лінзою Ротмана, від геометричних параметрів лінзи. Показано, що при мінімальних розмірах лінзи, рівних 6, що забезпечують багатопроменевий режим роботи в секторі кутів 35 при допустимих фазових спотвореннях не вдається отримати високий (порядку -3 дБ) рівень пересічення променів при одночасному забезпеченні низьких (порядку -20 дБ) РБП. Цього можна досягти збільшенням розмірів лінзи. Однак, при цьому збільшуються розміри бокових ділянок лінзи, що не беруть участі у формуванні поля випромінювання в розкриві антени. В лінзах Ротмана, призначених для радіометричних систем ДЗЗА, для усунення фонового радіовипромінювання ці ділянки закривають екранами, що призводить до відбиття хвиль від бокових стінок лінзи і спотворення АФР джерел поля на виході лінзи. В роботі розрахунковим шляхом визначаються параметри лінзи Ротмана, що дають мінімальні розміри бокових ділянок і забезпечують при цьому мінімальний РБП при високому рівні пересічення парціальних ДН. Проведені дослідження хвилевідно-щілинної решітки, що формує гребінь променів, відхилений від нормалі, а також всієї антенної системи в цілому.
Теоретично і експериментально досліджена скануюча двоканальна антенна решітка з променем, відхиленим під кутом 45 від нормалі до антени, для бортового радіометра 20-см діапазону. За основу побудови антени вибрана схема розрідженої решітки з нееквідистантним розташуванням випромінювачів із середньою напрямленістю. Така схема решітки забезпечує високі характеристики напрямленості при малій масі і габаритах антени.
Проведено дослідження енергетичних і напрямлених характеристик ряду антен з вертикальною і горизонтальною поляризацією як елементів антенної решітки, що випромінюють під кутом 45 до екрану. Показано, що кращі характеристики забезпечує малогабаритний двополяризаційний рупорний випромінювач, розташований під кутом 45 до екрану. За допомогою розробленої комп'ютерної програми проведено оптимізацію нееквідистантної решітки за мінімумом числа випромінюючих елементів, їхнього розташування і амплітудного розподілу в решітці для досягнення необхідного РБП, що не перевищує -20 дБ. Основна складність полягає в тому, що в двополяризаційних випромінювачах напрямки бокових пелюсток ДН для ортогональних поляризацій не співпадають і це не дозволяє водночас для обох каналів отримати гранично досяжні низькі значення РБП. Розроблено алгоритм пошуку “компромісного” варіанту решітки, що забезпечує заданий РБП для обох каналів в двох ортогональних площинах спостереження.
Експериментально досліджена лінійна випромінююча структура витікаючої хвилі, виконана на прямокутному хвилеводі, яка формує випромінювання з коловою поляризацією. Для створення поля з коловою поляризацією запропоновано використати принцип складання полів випромінювання, створених окремими лінійками витікаючої хвилі з ортогональними лінійними поляризаціями і зсувом фаз між ними, рівним 90. Така антена у порівнянні з відомими антенами витікаючої хвилі (АВХ) з коловою поляризацією на хрестоподібних щілинах або круглих отворах при випромінюванні всієї потужності, що надходить на її вхід, а отже високому ККД, має значно менші поздовжні розміри. Експериментально досліджено залежність сталої розповсюдження в структурах витікаючої хвилі з поздовжніми і поперечними щілинами від розмірів щілин і періоду структури. Визначаються параметри лінійок, що забезпечують співпадання парціальних ДН при будь-якому заданому куту відхилення променя від осі хвилеводу і рівність їхніх коефіцієнтів випромінювання. Експериментально підтверджено, що така структура випромінює поле з коловою поляризацією. Досліджено також варіант щілинної антени витікаючої хвилі, сполученої з лінійною антенною решіткою із Г-подібних вібраторів. Обидві лінійки випромінюють ортогональні лінійнополяризовані поля, які спільно створюють поле з коловою поляризацією.
В четвертому розділі розглянуто питання забезпечення електромагнітної розв'язки бортових антен, розташованих на металевій поверхні аерокосмічних носіїв і працюючих водночас на прийом і передачу радіосигналів. Огляд літератури по методам розв'язки антен показав, що для випадку близькорозміщених антен найбільш ефективними є розв'язуючі пристрої, виконані у вигляді гребінчастої імпедансної структури, розташованої між антенами, що розв'язуються. Розрахунок таких структур проводиться в припущенні їхніх нескінченних розмірів у напрямі, перпендикулярному до розповсюдження хвилі. В практичній реалізації вони мають поперечні розміри в декілька довжин хвиль, що часто не дозволяє використати їх в умовах обмежених розмірів літальних апаратів і відстані між антенами.
Експериментально досліджено розповсюдження електромагнітної хвилі з вертикальною поляризацією над обмеженою гребінчастою періодичною структурою резонансних поперечних розмірів (близько 0.5 - 1.3), розташованою на плоскому металевому екрані. Така структура при певних параметрах пазів гребінки: глибини h/, ширини d/, довжини l/ "відштовхує" електромагнітну хвилю, що розповсюджується, від поверхні екрану. Цей ефект використано для забезпечення електромагнітної розв'язки антен, розташованих на металевих поверхнях.
Описана експериментальна установка, що складається із двох малонапрямлених антен, розташованих на плоскому екрані і розв'язуючої гребінки, що розміщена поблизу однієї з антен на відстані R від неї. Експериментально досліджені залежності величини максимальної розв'язки і довжини хвилі, при якій вона досягається, а також відстані R від параметрів гребінки.
За експериментальними даними побудована номограма і отримані апроксимаційні формули, які для заданої довжини хвилі показують зв'язок між параметрами h, l і R , що забезпечують максимальне ослаблення хвилі.
У висновках приводяться основні результати досліджень, які одержано в дисертації.
У додаток А винесено викладки, що складають алгоритм розрахунку дзеркальних антен з використанням чисельного інтегрування за методом Гауса.
У додаток Б винесено формули, що складають метод розбивки сферичної поверхні на плоскі трикутники.
У додаток В винесено формули перетворень при переході із загальної в "місцеву" систему координат.
У додаток Д винесено формули, що використовуються для розрахунку геометрії лінзи Ротмана і АФР полів на її виході.
ВИСНОВКИ
Результати проведених досліджень зводяться до наступного:
1. На основі струмового методу фізичної теорії дифракції розроблені алгоритм і комп'ютерна програма розрахунку енергетичних і напрямлених характеристик дзеркальних антен. Для забезпечення високої точності розрахунків в алгоритмі використано чисельне інтегрування за квадратурною формулою Гауса. Програма, що розроблена, дозволяє проводити розрахунки багатопроменевих дзеркальних антен з різноманітними профілями рефлекторів, а також проводити чисельне математичне моделювання системи "дзеркало - опромінювач" і її оптимізацію за максимумом КП і мінімумом ширини ДН при заданому рівні бокових пелюсток.
2. Проведені розрахунки багатопроменевих багаточастотних дзеркальних антен із сферопараболічним рефлектором, що працюють в чотирьохсанти-метровому, двосантиметровому і восьмиміліметровому діапазонах хвиль в ортогональному лінійнополяризованому базисі, призначених для активних і пасивних радіоелектронних систем ДЗЗА аерокосмічного базування. Експериментальні дослідження розроблених антен і результати випробування їх в складі радіометрів на борту літака-лабораторії підтвердили високу точність розрахунку енергетичних і напрямлених характеристик дзеркальних антен по розробленому комп'ютерному забезпеченню.
3. Експериментально досліджені енергетичні і напрямлені властивості широкорозмірних одномодових триканальних рупорних опромінювачів дзеркальних антен. Встановлено, що такі випромінювачі формують необхідні ДН для всіх частотних каналів, однак не дозволяють отримати високу розв'язку при невеликому рознесенні сусідніх частотних діапазонів (близько 6 %). Показано, що покращити розв'язку і підвищити напрямлені властивості випромінювача можна за допомогою діелектричного стержня, розташованого в центрі хвилеводу, що живить рупор.
4. В результаті дослідження полів випромінювання багатокільцевих систем, що розташовані над екраном і збуджені струмом біжучої хвилі, показано, що відношенням амплітуд збуджуючих струмів в кільцях можна змінювати форму ДН, зокрема змінювати крутість спаду ДН в напрямку осі, а зміною відношення фаз струмів можна здійснювати конічне сканування ДН. Введення третього кільця додає свободи в формування необхідної ДН, зокрема усунення її двопелюсткового вигляду. Багатокільцеві антени можуть бути використані як елементи скануючих антенних решіток, а також як пеленгаційні антени.
5. Одержано в аналітичному вигляді формули для розрахунку полів випромінювання, створюваних плоскими трикутними елементами за заданими значеннями амплітуд і фаз струмів в вершинах трикутників і апроксимацією АФР струмів лінійними функціями на поверхні трикутників. З використанням методу фізичної теорії дифракції розроблено алгоритм розрахунку полів випромінювання, створюваних сферичною дзеркальною антеною, поверхня якої складена з плоских апроксимуючих трикутників. Поле випромінювання дзеркальної антени шукається у вигляді суми полів випромінювання плоских трикутників. Показано, що відхилення форми відбиваючої поверхні рефлектора, складеного із плоских трикутників, від ідеальної сфери і реалізація форми апертури дзеркала в вигляді шестикутника не має істотного впливу на характеристики напрямленості антени в області головного і першого бокового пелюстка, і проявляється тільки в області дальніх пелюсток. Знайдена область зміни розмірів опромінювача і фокусної відстані, в межах якої означені параметри забезпечують одержання полів випромінювання дзеркальної антени з низьким РБП і високою напрямленістю. Одержано залежність між розмірами розкриву сферичного дзеркала і сектором сканування променя за заданим зниженням КП на краю сектора на 0,5 і 3,0 дБ. Показано, що досягнення за допомогою оптимізації системи "дзеркало-опромінювач" в антені КРТ-30 з затіненням такого ж значення КП, як і в антені без затінення, супроводжується збільшенням її бокового пелюстка на 4,1 дБ.
6. Виявлено, що зміна РБП плоскої випромінюючої апертури, що складається з еквідистантно розташованих ізотропних випромінювачів, в залежності від величини п'єдесталу експоненціального амплітудного розподілу, носить нерегулярний характер, викликаний різною швидкістю зменшення парних і непарних бокових пелюсток. Показано, що при допустимому рівні бокового випромінювання, вищого за -20 дБ, кращі характеристики напрямленості решітки забезпечує експоненціально спадаючий амплітудний розподіл, а при РБП нижче за -20 дБ - синусоїдальний. Показано, що застосування апертури 8-кутної і круглої форми або надання краям апертури гребінчастого вигляду за своїм впливом на характеристики випромінювання еквівалентно застосуванню спадаючого амплітудного розподілу в квадратній апертурі, але при цьому число випромінюючих елементів апертури зменшується вдвоє. Застосування в таких апертурах спадаючого до краю амплітудного розподілу зменшує РБП до -29 дБ.
7. Досліджені плоскі багатопроменеві антенні решітки з діаграмоутворюючою схемою квазіоптичного типу, виконаною у вигляді лінзи Ротмана. З'ясовано, що при реалізації мінімальних розмірів в таких лінзах виникає протиріччя між вимогами досягнення мінімального РБП і забезпечення високого (до -3 дБ) рівня пересічення парціальних променів. Збільшення розмірів лінзи призводить до збільшення її бокових ділянок, відбиття хвиль від яких порушує роботу лінзи. Визначено геометричні параметри лінзи, при реалізації яких лінза має мінімальний розмір бокових стінок і забезпечує формування променів з високим рівнем пересічення ДН і низьким РБП. Для повного усунення відбиття хвиль від бокових стінок їх необхідно покривати радіопоглинаючим матеріалом.
Результати досліджень лінзи Ротмана реалізовано у 8-променевій антенній решітці шестисантиметрового діапазону, призначеній для використання в радіометричних системах ДЗЗА на борту літака-лабораторії.
8. Розроблена і теоретично і експериментально досліджена двоканальна скануюча антенна решітка малої висоти 20-см діапазону, призначена для бортового радіометра-поляриметра. Для одержання високих напрямлених характеристик антени запропоновано використати розріджену решітку при нееквідистантному розташуванні в ній випромінювачів із середньою напрямленістю. За допомогою розробленого алгоритму знайдено оптимальне розташування двоканальних випромінювачів в нееквідистантній решітці і амплітудний розподіл джерел поля на них, що забезпечує формування ДН решітки з низьким РБП (до -20 дБ), головний промінь якої для двох поляризацій відхилений під кутом 45 до площини апертури. Це зроблено за умови, що ДН двох каналів з різними поляризаціями не співпадають в області бокових пелюсток.
9. Експериментально підтверджена можливість створення поля з коловою поляризацією за допомогою хвилевідно-щілинної АВХ, що складається з двох лінійок витікаючої хвилі з ортогональним лінійнополяризованим випромінюванням. При цьому, на відміну від відомих раніше АВХ з коловою поляризацією, така антена, за умови досягнення високого значення ККД має істотно менші поздовжні розміри. Експериментально одержана залежність сталої розповсюдження хвилі в структурі від параметрів щілин для лінійок ортогональних поляризацій, що дозволяє створити випромінювання з коловою поляризацією під будь-яким кутом до осі антени в секторі 40... 60.
10. Запропонований спосіб розв'язку антен за допомогою малоелементної гребінчастої структури резонансних поперечних розмірів дозволяє одержати розв'язок до -40 дБ в вузькій смузі частот. Одержано апроксимаційні формули, які дозволяють визначити величину розв'язку, довжину хвилі, на якій досягається максимальний розв'язок і відстань від гребінки до антени, за якої досягається цей розв'язок, від параметрів гребінки - довжини l і глибини h пазів гребінки. Встановлено, що мінімальний поздовжній розмір такої гребінки, що забезпечує ефективний розв'язок, дорівнюює 0.3, а відстань між антеною і гребінкою залежить від параметрів гребінки і лежить в інтервалі від 0.1 до 0.25. Малорозмірна гребінка, що досліджувалася, може бути використана як вузькосмугова розв'язуюча структура на борту літального апарату в умовах обмеженого простору для розміщення антен, а також як елемент антени, що зменшує її бокове випромінювання.
ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Горобец Н.Н., Кийко В.И., Лытов Ю.В., Сомов В.А. Многолучевые волноводно - щелевые и микрополосковые антенные решетки панорамных радиометров аэрокосмического базирования // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1998. - T. 41. - №9. - C. 3-12.
2. Горобец Н.Н., Горобец Ю.Н., Кийко В.И. Уменьшение боковых лепестков плоских антенных решеток // Вестник Харьк. ун-та. Радиофизика и электроника. - 1998. - №405. - С. 3-10.
3. Горобец Н.Н., Кийко В.И. Экспериментальное исследование развязки антенн с помощью гребенчатой структуры ограниченных поперечных размеров // Вестник Харьк. ун-та. Радиофизика и электроника. - 1999. - №427. - С. 163-167.
4. Горобец Н.Н., Кийко В.И. Микрополосковая антенна с электрическим сканированием луча // Вестник Харьк. ун-та. Радиофизика и электроника. - 1992. - №371. - С. 41-45.
5. Горобец Н.Н., Кийко В.И. Антенна вытекающей волны с круговой поляризацией // Вестник Харьк. ун-та. Радиофизика и электроника. - 1986. - №285. - C. 57-59.
6. Эткин В.С., Милицкий Ю.А., Ворсин Н.Н., Чинков П.П., Горобец Н.Н., Кийко В.И., Лытов Ю.В., Сомов В.А. Многолучевые панорамные радиометрические системы СВЧ - диапазона для аэрокосмического базирования. -М.: 1993. -37 с. (Препр. / ИКИ РАН; Пр - 1870).
7. Gorobetz N.N., Kiyko V.I. Discrimination of weakly directed antennas with a comb of small size // 12-th Int. Wroclav Symp. and Exhibition on Electromagnetic Compatibility. - Wroclav (Poland). - 1994. - P. 35-38.
8. Горобец Н.Н., Горобец Ю.Н., Жолобенко А.Б., Катрич В.А., Кийко В.И. Попов В.С., Шугаев П.И. Сканирующая неэквидистантная антенная решетка рупорных излучателей // Материалы 7-й Международной Крымской Микро-волновой конференции (КрыМиКо’97). - Севастополь, - 1997. - C. 553-555.
9. Gorobets N.N., Gorobets Yu.N., Zholobenko A.B., Katrich V.A., Kiyko V.I., Popov V.S., Shugayev P.I. The Nonequidistant Array of Lz-band. // 14- Int. Conf. Applied Electromag. and Communications (ICECOM’97). - Dubrovnik (Croatia). - 1997. - P. 59-62.
10. Gorobets N.N., Gorobets Yu.N., Kiyko V.I. Computer analysis of side radiation of narrow-beam antenna array // 3-d Int. Kharkov Symp. “Physics and Engineering of millimeter and submillimeter waves” (MSMW’98). - Kharkov. - 1998. - P. 611-614.
11. Горобец Н.Н., Кийко В.И., Попов В.С. Автоматизация измерений поляризационных диаграмм направленности антенн сверхвысоких частот // Тезисы докл. III Украинской конференции "Измерения в области ЭМС". - Винница. - 1991. - С. 101-104.
12. Кийко В.И. Антенны вытекающей волны на криволинейной поверхности // Тезисы докл. IV Всесоюзного симпозиума по миллиметровым и субмилли-метровым волнам. - Харьков: Изд. ИРЭ АН УССР. - 1984. - C. 102-103.
13. Горобец Н.Н., Кийко В.И., Ляховский А.Ф., Сомов В.А. Опыт разработки многодиапазонных облучателей зеркальных антенн // Тезисы докл. межведомственного научно-технического совещания. - Минск. - 1989. - C. 133-134.
14. Горобец Н.Н., Кийко В.И. Трехкольцевая микрополосковая антенна круговой поляризации с электрическим коническим сканированием // Тезисы докл. “XXVI Межведомственная НТК по теории и технике антенн. Секц. 2.- Зеркальные и др. антенны”. - Москва. - 1990. - С. 4-5.
15. Горобец Н.Н., Кийко В.И. Кругополяризованная антенна вытекающей волны с решеткой вибраторов // Тезисы докл. I Украинского симпозиума “Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн”. - Харьков. - 1991. - Ч. 1. - C. 351-352.
16. Горобец Н.Н., Кийко В.И. Характеристики разворачиваемых зеркальных антенн, поверхность которых аппроксимирована плоскими треугольниками // Тезисы докл. Межд. научно-техн. конференции "Современная радиолокация". - Киев. - 1994. - С. 51-52.
17. Gorobets N.N., Gorobets Yu.N., Zholobenko A.B., Katrich V.A., Kiyko V.I., Popov V.S., Shugayev P.I., Panitz V.A., Alesin A.M. Antenna array for airborne scanning radiometer of decimetre band // Proc. of the 2nd Int. Confer. on Antenna Theory and Techniques. - Kyiv. - 1997. - P. 70-71.
АНОТАЦІЇ
Кийко В. І. Дослідження багатопроменевих антен для аерокосмічних систем дистанційного зондування підстилаючої поверхні. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Харківський державний університет, Харків, 1999.
Дисертацію присвячено дослідженню багатопроменевих і скануючих антен, що знаходять використання в радіометричних системах дистанційного зондування Землі аерокосмічного базування. Розроблено алгоритми розрахунку і оптимізації характеристик випромінювання таких антен. Вивчені фізичні закономірності збільшення рівня пересічення парціальних променів і зниження рівня бокових пелюсток дзеркальних антен і антенних решіток. Досліджені електродинамічні характеристики випромінюючих елементів з коловою поляризацією у вигляді кільцевих антен біжучої хвилі і антен витікаючої хвилі. Досліджена можливість розв'язку антен за допомогою резонансної малоелементної гребінчастої структури.
Ключові слова: мікрохвилі, випромінювання, дифракція, радіометри, дзеркальні антени, антенні решітки, кільцеві антени, антени витікаючої хвилі, електромагнітна сумісність радіоелектронних систем.
Кийко В.И. Исследование многолучевых антенн для аэрокосмических систем дистанционного зондирования подстилающей поверхности. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Харьковский государственный университет, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена исследованию многолучевых и сканирующих антенн, используемых в радиометрических системах дистанционного зондирования Земли аэрокосмического базирования. Изучены физические закономерности и возможности получения максимально достижимого коэффициента усиления, минимального уровня боковых лепестков (УБЛ) и высокого уровня пересечения парциальных диаграмм направленности (ДН) многолучевых антенн панорамных радиометров при ограничениях, накладываемых на массогабаритные параметры антенн.
По разработанному на основе метода физической оптики алгоритму проведены расчеты и оптимизация многолучевых многочастотных зеркальных антенн по обеспечению высоких характеристик направленности и КИП.
Для расчета характеристик излучения сферических зеркальных антенн с поверхностью, аппроксимированной плоскими треугольниками, решена задача об излучении плоского треугольника по заданным значениям токов в вершинах треугольников и аппроксимацией линейными функциями амплитудно-фазового распределения токов на поверхности треугольника. Поле излучения такой антенны ищется в виде суммы полей излучения плоских треугольников, аппроксимирующих поверхность зеркала. Проведена оптимизация сферической зеркальной антенны по минимуму аберраций и рассчитаны характеристики сканирования ДН.
Изучены характеристики излучения плоских многолучевых и сканирующих антенных решеток. Разработана и исследована восьмилучевая антенная решетка с диаграммо-образующей схемой квазиоптического типа на линзе Ротмана. Найдены геометрические параметры линзы Ротмана, обеспечивающие получение высокого уровня пересечения парциальных ДН и низкого УБЛ.
Рассмотрены способы уменьшения УБЛ плоских антенных решеток путем изменения формы апертуры и придания её краям гребенчатого вида, а также применением спадающего к краям амплитудного распределения источников поля. Найдены условия, обеспечивающие уменьшения УБЛ до -29 дБ при одновременном уменьшении числа излучателей в два раза по сравнению с эквидистантной решеткой квадратной формы.
Изучены физические закономерности влияния уменьшения числа излучателей в антенной решетке, излучающей под углом 45 к экрану, с неэквидистантным расположением излучателей со средней направленностью. Разработан алгоритм оптимизации двухканальной антенной решетки, работающей в ортогональном линейнополяризованном базисе по минимуму числа излучателей, их расположению и амплитудному распределению в решетке, обеспечивающей УБЛ ниже -20 дБ.
Предложены двухкольцевые антенны бегущей волны с круговой поляризацией поля для конического сканирования луча. Изучены зависимости характеристик излучения таких антенн от отношения амплитуд и фаз токов в кольцах. Предложено для обеспечения формирования однолепестковой формы ДН в таких антеннах использовать третье кольцо.
Экспериментально исследована антенна вытекающей волны (АВВ) с круговой поляризацией, выполненная в виде двух линейных решеток вытекающей волны с ортогональными линейными поляризациями излучения, расположенных на широкой стенке прямоугольного волновода. Получены параметры линеек, обеспечивающие формирование отклоненного от оси антенны луча в секторе углов 40-60 с круговой поляризацией. В отличии от известных АВВ с круговой поляризацией, такая антенна при высоком значении КПД имеет меньшие продольные размеры.
Экспериментально исследована электромагнитная развязка антенн, расположенных на плоском проводящем экране, с помощью резонансной гребенчатой структуры малых продольных размеров, расположенной между антеннами. Получены аппроксимационные формулы, выражающие зависимость величины развязки и расстояния между гребенкой и развязываемой антенной от параметров гребенки.
Ключевые слова: микроволны, излучение, дифракция, радиометры, зеркальные антенны, антенные решетки, кольцевые антенны, антенны вытекающей волны, электромагнитная совместимость радиоэлектронных систем.
V.I.Kiyko. Investigation of multibeam antennas for airspace systems of remote sensing underlying surface.- Manuscript.
Thesis for a Candidate of Science Degree in Physics and Mathematics by Speciality 01.04.03 - Radiophysics.- Kharkiv State University, Kharkiv, 1999.
The thesis is devoted to investigation of the multibeam and scanning antennas which are used in radiometric systems of the Earth remote sensing of airspace placing. The algorithms of calculation and optimization of the radiation characteristics of such antennas was designed. The physical laws of increasing the crossing levels of the partial beams and decreasing the side lobes level of reflector antennas and antenna arrays was discussed. The electrodynamic characteristics of radiating elements of the circular polarization in the form of traveling wave ring antenna and leaky wave antenna. Decoupling the antennas by the resonance few element comb structure was investigated.
Key words: microwaves, radiation, diffraction, radiometers, reflector antennas, antenna arrays, ring antennas, leaky wave antennas, electromagnetic compatibility radioelectronic systems.