Александр Олегович Касьянов, профессор кафедры антенн и радиопередающих устройств радиотехнического факультета ТРТУ (г. Таганрог), доктор технических наук.
Электродинамический анализ многоэлементных печатных антенных решеток и устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции
Целью работы является: разработка и исследование электродинамических моделей многоэлементных микрополосковых антенных решеток, как проходного (ФАР), так и отражательного (ОАР) типа, а также СВЧ и КВЧ–устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации на основе открытых печатных ЭД структур; методик электродинамического учета влияния фидерной системы на характеристики излучения и согласования многоэлементных микрополосковых ФАР, а также конструкционных элементов управляющих СВЧ–устройств на характеристики рассеяния реконфигурируемых микрополосковых ОАР, как микроволновых компонентов интеллектуальных покрытий; реализация указанных моделей и методик в виде эффективных вычислительных алгоритмов для расчета электромагнитных полей, возбуждаемых в многоэлементных микрополосковых антенных решетках; исследование электродинамических характеристик этих решеток и разработка рекомендаций для их проектирования.
В соответствие с указанной целью в работе ставятся следующие задачи:
—
Разработка эффективных методик учета влияния на электродинамическом уровне строгости конструкционных элементов управляющих СВЧ–устройств, как мезапланарных, так и поверхностно–ориентированных, на параметры многоэлементных реконфигурируемых отражательных антенных решеток в печатном исполнении.
—
Разработка эффективных электродинамических моделей многоэлементных микрополосковых отражательных антенных решеток, печатные излучатели/переизлучатели которых могут не только иметь произвольную форму, но и быть объемными.
—
Разработка эффективных методик учета влияния на электродинамическом уровне строгости фидерных систем многоэлементных фазированных антенных решеток в печатном исполнении на их параметры.
—
Разработка эффективных электродинамических моделей многоэлементных микрополосковых фазированных антенных решеток, печатные излучатели/переизлучатели которых могут не только иметь произвольную форму, но и быть объемными.
—
Разработка методики электродинамического анализа характеристик излучения и согласования многоэлементных печатных ФАР вибраторного типа на основе решения дифракционных задач.
—
Разработка эффективной электродинамической модели многослойной мультирешеточной планарной частотно–избирательной поверхности, печатные элементы которой могут иметь произвольную форму.
—
Численное исследование и разработка с помощью созданных электродинамических моделей устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации на основе многоэлементных печатных дифракционных решеток, а также их экспериментальное исследование.
—
Численное исследование и разработка на основе созданных математических моделей многоэлементных решеток печатных элементов фокусирующих и сканирующих антенных систем с оптическими схемами питания отражательного (ЗА с плоским рефлектором) и проходного типа (спирафазная радиолинза), обладающих улучшенными характеристиками, а также их экспериментальное исследование.
—
Исследование характеристик рассеяния микрополосковых отражательных антенных решеток с реконфигурируемыми элементами для решения задач, возлагаемых на СВЧ и КВЧ компоненты интеллектуальных радиоэлектронных покрытий.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
—
Сформулирован единый подход к решению задачи электродинамического анализа различных типов микрополосковых многоэлементных ФАР и ОАР, различающихся способами возбуждения, видом нагрузочных многополюсников (импедансные штыри), топологией и типом излучателей, включая комбинированные (объемные) и совмещенные антенные элементы, а также устройств пространственной, частотной и поляризационной трансформации и селекции на их основе.
—
Разработаны новые электродинамические модели многоэлементных микрополосковых антенных решеток и печатных СВЧ/КВЧ–устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации, а именно: микрополосково–штыревой отражательной антенной решетки, печатные элементы которой нагружены на импедансные штыри; фазированной антенной решетки, печатные элементы которой возбуждаются коаксиальными волноводами; многослойной мультипланарной антенной решетки отражательного типа; отражательной антенной решетки комбинированных микрополосковых излучателей; фазированной антенной решетки, комбинированные печатные элементы которой возбуждаются посредством полосковых линий передачи; многослойной мультирешеточной частотно–избирательной поверхности; спирафазной фокусирующей радиолинзы, плоских рефлекторов на основе решеток печатных элементов для свернутой зеркальной антенны, микроволновых модулей интеллектуальных покрытий на основе отражательных антенных решеток, для которых характерно отсутствие ограничений на форму МПЭ, толщину и параметры магнитодиэлектрических подложек и укрытий, а также число и место подключения к МПЭ импедансных штырей и проводников возбуждающих фидерных линий передачи.
—
Построено замкнутое аппроксимационное выражение для тока, возбуждаемого ненаправленным источником на плоском проводящем экране. Изучены границы применимости этого выражения путем сравнения с точным численным решением. Получены инженерные оценки характеристик направленности и диаграмм обратного излучения (ДОИ), формируемых плоским проводящим экраном, возбуждаемым ненаправленным источником, источником со слабой направленностью, а также источником со столообразной ДН.
—
Разработаны новые методики для электродинамического учета влияния фидерной системы на характеристики излучения и согласования многоэлементных микрополосковых ФАР, а именно: микрополосково–штыревой фазированной антенной решетки, печатные элементы которой возбуждаются коаксиальными волноводами; фазированной антенной решетки, комбинированные печатные элементы которой возбуждаются посредством полосковых линий передачи; излучающей решетки спирафазной фокусирующей радиолинзы, печатные элементы которой возбуждаются посредством двухпроводных линий передачи, для которых характерно включение в электродинамический анализ, не только микрополосковых ИЭ, но и непосредственно примыкающих к ним отрезков фидеров, что позволяет с наперед заданной точностью учесть их влияние на характеристики излучения и согласования фазированных антенных решеток.
—
Асимптотически оценены характеристики направленности и ДОИ антенн на плоских экранах импедансного типа.
—
Разработаны новые методики для электродинамического учета влияния конструкционных элементов управляющих СВЧ–устройств на характеристики рассеяния реконфигурируемых микрополосковых антенных решеток отражательного типа, а именно: микрополосково–штыревой решетки, печатные элементы которой нагружены на импедансные штыри; решетки комбинированных микрополосковых излучателей с импедансными штырями; планарной решетки с поверхностно–ориентированными импедансными включениями, для которых характерно включение в электродинамический анализ, не только печатных излучателей/переизлучателей, но и непосредственно примыкающих к ним конструкционных элементов управляющих СВЧ–устройств, что позволяет с наперед заданной точностью учесть их влияние на характеристики рассеяния таких решеток.
—
Разработана методика электродинамического анализа характеристик излучения и согласования многоэлементных печатных ФАР вибраторного типа на основе решения ряда дифракционных задач.
—
Разработан и успешно экспериментально испытан ряд новых конструктивных
решений многослойных антенных обтекателей с улучшенными характеристиками,широкополосных твист-преобразователей поляризации, фракталоподобных и фрактальных частотно–избирательных поверхностей, основывающихся на численном исследовании созданных математических моделей печатных антенных решеток.
—
Предложено, опирающееся на результаты математического моделирования, новое конструктивное решение для управляемого поляризационного манипулятора в виде микрополосковой отражательной решетки с поверхностно-ориентированными СВЧ-управляющими элементами (p-i-n-диодами), на основе которого разработан, изготовлен и успешно экспериментально испытан макет этого СВЧ-устройства.
—
Предложен ряд новых конструкций интегральных элементов ОАР, как плоских микрополосковых спирафазных решеток – аналогов зеркальных и линзовых антенн, так и компактных двухзеркальных антенных систем, рефлекторы которых выполнены на основе печатных решеток отражательного (с поворотом плоскости поляризации) и проходного типа, а также вспомогательных ОАР для модернизации существующих антенн с целью улучшения их электромагнитной совместимости и создания управляемых отражателей.
Научная значимость работы заключается в создании нового методического аппарата для эффективного электродинамического анализа многоэлементных полосковых и микрополосковых антенных решеток, как проходного, так и отражательного типа, как с закрытыми, так и открытыми распределительными системами, применимого также и к расчету других типов многоэлементных АР с плоским раскрывом; эффективных методик анализа широкого класса частотно-избирательных поверхностей, угловых и поляризационных фильтров, а также трансформаторов поляризации поля СВЧ и КВЧ диапазонов; предложенном способе определения характеристик согласования излучателей печатных ФАР вибраторного типа, основанном на решении ряда дифракционных задач.
Положения, выдвигаемые на защиту:
—
Совокупность математических моделей многоэлементных микрополосковых фазированных и отражательных антенных решеток, а также устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации на их основе, опирающихся на решение трехмерных задач электромагнитного возбуждения:
—
Микрополосково-штыревых отражательной и фазированной антенных решеток.
—
Печатных отражательных и фазированной антенных решеток с комбинированными элементами.
—
Многослойных отражательных проходных решеток с этажерочным расположением печатных элементов.
—
Плоской спирафазной фокусирующей радиолинзы круговой поляризации на основе микрополосковых антенных решеток проходного и отражательного типов.
—
Микрополосковой отражательной антенной решетки с поверхностно-ориентированными импедансными включениями.
—
Методики электродинамического учета влияния фидерной системы на характеристики излучения и согласования многоэлементных микрополосковых ФАР, а также конструкционных элементов управляющих СВЧ-устройств на характеристики рассеяния реконфигурируемых печатных отражательных антенных решеток.
—
Методика определения параметров многоэлементных микрополосковых фазированных антенных решеток по результатам решения дифракционных задач.
—
Совокупности вычислительных алгоритмов и программ, реализующих разработанные расчетные модели и методики для всех поставленных в работе электродинамических задач, и позволяющих существенно расширить возможности моделирования многоэлементных печатных антенных решёток и устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации на их основе.
—
Новые научные результаты об особенностях рассеяния электромагнитных волн на реконфигурируемых микрополосковых ОАР, в том числе с комбинированными элементами, импедансными штырями и поверхностно-ориентированными включениями, а также возбуждения многоэлементных печатных ФАР и устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации, позволяющие выработать рекомендации по применению многоэлементных микрополосковых решеток в качестве СВЧ и КВЧ-модулей интеллектуальных покрытий.
—
Новые научно обоснованные технические решения в области создания многоэлементных микрополосковых фазированных и отражательных антенных решеток, а также устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции и трансформации на их основе, включающие в себя:
—
Конструктивное решение для экономичной сканирующей антенной решетки в виде плоской спирафазной линзы на основе многоэлементных решеток печатных излучателей.
—
Широкополосные фазокорректирующие плоские рефлекторы, позволяющие преобразовывать поляризацию отраженного поля, для двухзеркальных антенных систем.
—
Ряд решений принципиального и конструктивного характера, как для многофункциональных антенных обтекателей и фрактальных частотно–избирательных поверхностей, так и для СВЧ и КВЧ-компонентов интеллектуальных покрытий.
