Автореферат (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора)

На правах рукописиОвчинникова Елена ВикторовнаШИРОКОПОЛОСНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ C ШИРОКИМСЕКТОРОМ ОБЗОРАСпециальность: 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква 2017Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» МАИНаучный консультант:доктор технических наук, профессорВоскресенский Дмитрий ИвановичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорКирпанёв Алексей Владимировичдоктор технических наук, профессорКурочкин Александр Петровичдоктор технических наук, профессорНечаев Евгений ЕвгеньевичВедущаяорганизация:Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования«Московскийгосударственныйтехническийуниверситетимени Н.Э.

Баумана(национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана).Защита состоится «_19_»_декабря_2017 г. в __14__ часов на заседаниидиссертационного Совета Д 212.125.03 Московского авиационного институтаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу:125993, ГСП – 3, А – 80, Москва, Волоколамское шоссе, д.4. Ученый СоветМАИ.Автореферат разослан «_18__»_сентября__2017 г.Ученый секретарь Диссертационного совета,Доктортехническихнаук,профессор2Сычев М.И.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.

В последнее время наметилась тенденция ккомплексированиюрадиотехническихмногофункциональныхактуальнейшихрадиоэлектронныхпроблемфункциональныхантеннойвозможностейсистемикомплексов.техникиявляетсярадиотехническихсозданиюОднойизрасширениекомплексов,путемприменения в них широкополосных и многодиапазонных антенных систем сширокоугольным электрическим сканированием, расширенным секторомобзора, а в некоторых случаях и моноимпульсным режимом работы.Антенные системы мобильных радиоэлектронных комплексов радиолокациии связи также должны обладать высоким энергетическим потенциалом.Решение этих проблем способствует созданию нового поколения бортовыхрадиоэлектронных систем (РЭС) с интегрированием функций.В последнее десятилетие интенсивно развивалась теория и техникафазированных антенных решеток (ФАР). Написаны монографии, разработанысистемные электродинамические модели и созданы антенные решеткистрельбовых комплексов (С-300, С-300В, Patriot) и бортовых РЛС трехсантиметрового диапазона (Жук, Сокол и др.).Существующая теория ФАР и активных фазированных антенныхрешеток (АФАР) позволяет рассчитать ожидаемые характеристики такихсистем, однако, дальнейшее развитие антенной техники требует созданияконкурентоспособных РЭС с новыми характеристиками.

В частности, к такимсредствамможноотнестиинтегрированныебортовыекомплексы,работающие одновременно на нескольких частотах или осуществляющиеэлектрическоесканирование в секторе, превышающем ±60̊ [1*]. Длярасширения сектора сканирования и рабочей полосы частот применяютсяразличные выпуклые, а также комбинированные антенные решетки.Возможно также применение купольных схем построения, сочетающих в3конструкции плоскую и неплоскую антенную решетку из волноводных илидиэлектрических линз, расширяющих сектор сканирования [2*-7*].Для совмещения функций различных радиосистем ФАР должнаобеспечивать приемлемые характеристики направленности в широкойполосе.

Использование второго диапазона позволяет улучшить точностныехарактеристики и повысить помехозащищенность системы [8*-10*].Особо остро стоит вопрос по созданию ФАР и АФАР миллиметровогодиапазона. Целый ряд проблем, связанных с формированием антенногополотна и осуществлением управления лучом в коротковолновой частимиллиметрового диапазона рассмотрен в работах [11*-16*].В соответствии с общими задачами в антенной технике, возникаетнеобходимость расширения рабочей полосы, уменьшения УБЛ, повышенияпомехозащищенности.

Эти проблемы в свою очередь приводят к увеличениюшага излучателей, который в решетке ограничен условием реализацииоднолучевого режима, а в коротковолновой части миллиметрового диапазона– условиями практической реализации [17*,18*].Излитературыизвестныширокополосныеисовмещенныемногофункциональные АР [19*,20*]. Однако рассматриваемые антенны имеютсложную распределительную систему и не обеспечивают необходимые внастоящее время технические характеристики. Применение выпуклых ФАР(ВФАР), позволяет расширить рабочую полосу частот и увеличитьрасстояние между элементами без потери коэффициента усиления (КУ),уменьшить уровень коммутационных боковых лепестков и упроститьсогласование излучателей в антенной решетке [21*].

Отмеченные вмонографии [21*] сложности практической реализации в настоящее времяможно достаточно просто преодолеть, используя современную элементнуюбазу. В процессе развития ВФАР были предложены и исследованы различныевариантыразмещенияэлементов:на4цилиндрических,конических,сферических поверхностях, но ВФАР по-прежнему имеют большие габаритыи число элементов существенно превышающее минимально необходимое.Перспективным направлением создания бортовых антенных системявляются АФАР с пространственным размещением элементов и цифровымдиаграммообразованием. В таких решетках упрощается схема формированиядиаграммы направленности, а также создание ДН специальной формы.В современных бортовых антенных системах уровень бокового иобратного излучения не должен превышать -20дБ при достаточно жесткихтребованиях к энергетическим и массогабаритным характеристикам.

Размерыраскрыва таких систем определяются размерами поперечного сечениялетательного аппарата (ЛА). Использование спадающего амплитудногораспределения для уменьшения УБЛ приводит к сильному уменьшениюусиления АР. Известны различные законы изменения амплитудно-фазовогораспределения (АФР), а также широко применяется синтез АФР дляполучения требуемого УБЛ при минимальном падении усиления. Длярешения задач синтеза наиболее эффективными оказываются численныеметоды оптимизации, такие, например, как генетический алгоритм [22*].Однако, численные методы оптимизации применимы при работе антеннойсистемы в узкой полосе частот.

Поэтому целесообразно использоватькомбинированные методы синтеза амплитудно-фазового распределения ипространственногоразмещенияэлементовАР.Длятакихструктурнеобходимо определить характеристики направленности и энергетическиехарактеристики и провести сравнение этих характеристик с существующимиАР.Такимобразом,основныминаправлениямиразвитиябортовыхантенных систем являются:а)повышение функциональных возможностей за счет расширениярабочей полосы и сектора сканирования;5б)изыскание путей построения и разработка математических иэлектродинамических моделей антенн с широкоугольным сканированием,широкойрабочейполосойилиспециальнойформойдиаграммысинтезаразличныхструктурпостроениянаправленности;в)разработкаметодикантенного полотна с плоским и пространственным размещением элементов, атакже оценка допусков при изготовлении.Приреализациитеоретическогоуказанныхисследованиянаправленийбортовыхразвиваютсяантенныхосновырешетокиразрабатываются их электродинамические модели с учетом условийэксплуатации.

Применение методов статистического анализа характеристикпозволяет определить возможности практической реализации моделей, атакже ряд требований к технологии производства бортовых антенныхрешеток.Объекты и предметы исследованийК объектам диссертационных исследований относятся антенныерешетки с пространственным размещением элементов и широкоугольнымсканированием, а также антенные решетки бортовых телекоммуникационныхирадиолокационныхсистемсоспециальнымиформамидиаграммнаправленности. Предметами исследований являются электродинамическиемодели антенных решеток с плоской и пространственной структуройантенного полотна.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы является разработка методов анализаи синтеза характеристик антенных решеток с широким сектором обзора ипостроение электродинамических моделей антенных систем мобильныхкомплексов со специальными формами диаграмм направленности.6Для достижения указанной цели в рамках общей проблемыразработки и создания широкополосных антенных систем с широкоугольнымсканированием развит новый подход к решению задач антенной техники,отличающийся применением пространственных структур для расширениярабочей полосы и сектора обзора.

В рамках данного подходавдиссертационной работе решаются следующие задачи:Анализиразработкаметодовтеорииантенныхрешетоксрасширенным телесным сектором сканирования и рабочей полосой частот.Анализиразработкаметодовмоделированияволноводныхвозбудителей, образованных конформными поверхностями для антенныхсистем мобильных телекоммуникационных и радиолокационных систем сволной типа Т, обеспечивающих отсутствие дисперсии, минимальные потериимассогабаритныехарактеристикипримоноимпульснойработеипозволяющих преодолеть основные трудности построения конформныхАФАР.Исследование характеристик направленности, рабочей полосы иопределение минимального количества излучателей в антенных решетках спространственной структурой размещения элементов в эквивалентномизлучающемраскрыве,обеспечивающееодномерноеширокоугольноесканирование.Разработка теории синтеза и методов, позволяющих уменьшитьуровень бокового излучения за счет перераспределения бокового фона ивариации излучающего раскрыва.Исследованиевлиянияамплитудныхифазовыхошибокнахарактеристики направленности антенных решеток с пространственнойструктурой размещения элементов, позволяющее определить допуски наизготовление элементов антенного полотна и распределительной системы.7Методы исследованияЧисленныеметодыэлектродинамики,теориисинтезаантенн,численные методы математического анализа, методы статистической теорииантенн, численное моделирование характеристик ККАР на ЭВМ и методсобственных функций теории регулярных волноводов.Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:-предложен новый способ построения и развиты математические методыисследования антенных систем, обеспечивающих широкий секторобзора при работе в широкой полосе частот.-доказаныпреимуществапространственногоспособаразмещенияэлементов в антенных системах с широкоугольным сканированием,позволяющего минимизировать число управляющих элементов враспределительной системе антенной решетки, а также существенноуменьшитьвзаимодействиеэлементовзасчетвозможностиихпространственного разнесения.-предложены системы возбуждения антенных решеток с широкимсектором обзора в виде конформных поверхностей с азимутальносимметричной структурой и основной волной типа Т, обеспечивающиенедисперсионную работу в широкой полосе частот и азимутальносимметричноевозбуждениеэлементовантеннойсистемыприширокоугольном сканировании.-разработаныметоды расчета характеристиксистемвозбужденияантенных решеток с широким сектором обзора в виде конформныхповерхностей с волной типа Т.-разработаны методы синтеза характеристик направленности антенныхрешетоксширокоугольнымсканированием,требуемый уровень бокового излучения.8обеспечивающие-Разработан способ оценки влияния технологических погрешностей,возникающих при изготовлении антенного полотна и распределительнойсистемы на характеристики направленности, позволяющий определитьдопуски на изготовление отдельных элементов антенной системы.Практическая значимость результатов работыРазработанные в диссертации методы синтеза и статистическогоанализа характеристик направленности антенных решеток реализованы ввиде прикладных программ и направлены на решение широкого круга задач,в частности, для получения исходных данных при создании макетовантенного полотна и распределительной системы антенной решетки сширокоугольным сканированием.На основе разработанных электродинамических моделей выполненыопытные образцы антенны телекоммуникационной системы, мобильнойбортовой двухдиапазонной радиолокационной антенной системы, антеннойрешетки бортовой РЛС, устанавливаемой на вертолете, и вертолетной РЛСморского базирования «Минога», низкопрофильного антенного модуляспутниковой связи сантиметрового диапазона волн с широкоугольныммеханическим сканированием «Вига».Основные положения, выносимые на защиту-Принципы построения кольцевых концентрических антенных решеток,основанныенатеориивыпуклыхантенн,обеспечивающиеширокоугольное сканирование в секторе 360° в азимутальной плоскости,расширение рабочей полосы и минимизацию числа элементов иуправляющихустройствзасчетпространственнойструктурыразмещения элементов в антенном полотне.-Системы возбуждения антенных решеток, построенные на основе теориикоаксиального, радиального и сферического волноводов, позволяющие9уменьшитьпотеринапорядокпосравнениюсфидернымираспределительными системами, устранить дисперсию и минимизироватьмассогабаритные характеристики антенных решеток с широкоугольнымсканированием за счет использования волноводных систем с волной типаТ и азимутально симметричной структурой.-Модели антенных решеток большой размерности, разработанные сиспользованиемспециализированныхпрограммныхсредств,применяемых для электродинамического моделирования антенн иустройств СВЧ и позволяющие определить характеристики антеннойсистемы с учетом взаимного влияния элементов.-Методологиясканированием,синтезаантенныхрешетоксобеспечивающая требуемый УБЛширокоугольнымприизмененииположения луча в широком секторе углов.-Модели бортовых антенных решеток радиолокационных систем, а такжесистем спутникового телевидения и спутниковой связи, выполненных сприменениемновыхтехнологий,позволяющихминимизироватьмассогабаритные характеристики.Достоверность полученных результатов подтверждается:- применением прошедших апробацию методов общей и статистическойтеории антенн;-использованиемпозволяющихспециализированныхпроводитьанализкомпьютерныхструктурыантенногопрограмм,полотнаираспределительной системы численными электродинамическими методами;-проверкой полученных результатов вычислительными экспериментами иэкспериментальными исследованиями;-использованиемразработанныхрадиоэлектронных средств.10моделейвопытныхобразцахРеализация и внедрение результатов работыЭлектродинамические модели и результаты анализа характеристикантенных систем использованы при выполнении научно-исследовательских иопытно-конструкторскихрадиолокационныхразличныхработкомплексоворганизациях:АОпоисозданиюантенныхтелекоммуникационных«Корпорациярешетоксистем«Фазотрон –НИИР»»,вАО«Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательскийрадиотехнический институт» (АО МНИРТИ), ОАО «НПО „Лианозовскийэлектромеханический завод“» (НПО «ЛЭМЗ»), НПО «Энергия».Апробация результатов работыОсновные положения диссертационной работы докладывались иобсуждались на XXVIII Международной конференции «Теория и техникаантенн», (Москва, 1998 г.), Международной конференции «Шестой научныйобменный семинар.