Диссертация (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиОвчинникова Елена ВикторовнаШИРОКОПОЛОСНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ C ШИРОКИМ СЕКТОРОМОБЗОРАСпециальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ - устройства и их технологии»Диссертация на соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультант –доктор технических наукпрофессор Д.И.

ВоскресенскийМосква – 20172СОДЕРЖАНИЕВведение5Актуальность темы диссертации5Объекты и предметы исследований9Цель и задачи работы9Методы исследования10Научная новизна результатов работы10Практическая значимость результатов работы11Основные положения, выносимые на защиту12Достоверность полученных результатов13Реализация и внедрение результатов работы13Апробация результатов работы14Публикации15Личный вклад15Объем и структура диссертационной работы151 СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ БОРТОВЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ161.1 Антенныесистемыинтегрированныхрадиоэлектронных161.2 Антенные решетки с широкоугольным сканированием на приемо-18комплексовпередающих модулях1.3 Выводы по главе 1222БОРТОВЫЕ ФАР С КРУГОВЫМ ОБЗОРОМ232.1 Схемы построения ФАР с широкоугольным сканированием232.2 Частотныеширокоугольным382.3 Взаимодействие излучателей в кольцевых концентрических46характеристикиФАРссканированиемантенных решетках2.4 Излучатели, обеспечивающие широкоугольное сканирование иширокополосную работу5032.5 Кольцевые концентрические антенные решетки с двумерным60сканированием2.6 Характеристикинаправленностииформирование76моноимпульсных характеристик при круговом обзоре2.7 Минимизация уровня боковых лепестков842.8 Расчет ДН ККАР с заданным УБЛ с помощью ряда Фурье-Бесселя912.9 Расчет ДН ККАР с заданным УБЛ с помощью ряда Шлемильха992.10 Пространственные антенные решетки2.11.Исследованиеконцентрическойхарактеристикантеннойнаправленностирешеткискольцевой104широкоугольным107сканированием для сотового телефона1092.12 Выводы по главе 23ВОЛНОВОДНЫЕРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕСИСТЕМЫС110ВОЛНОЙ ТИПА Т3.1 Распределительные системы с волной типа Т1103.2 Распределительная система на основе радиального волновода1163.3 Основы теории радиального волновода1203.4Сравнениестрогойиприближеннойтеориирадиального128волновода.3.5 Возбуждение радиального волновода1333.6 Схемы возбуждения радиального волновода1483.7 ККАР из волноводных излучателей, возбуждаемая радиальным153волноводом3.8 Концентрический сферический волновод как система возбуждения176конформных антенных решеток3.9 Интегрирование волнового уравнения.

Компоненты поля для179волны типа Е3.10 Выводы по главе 319844БОРТОВЫЕФАРДЛЯВЕРТОЛЕТОВИ 199ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ПОТЕХНОЛОГИИ ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ4.1Особенности построения бортовых антенных систем и их 199технологии4.2 Структура антенного полотна и схема возбуждения ФАР, 202выполненной по технологии гальванопластики4.3Характеристики антенного полотна и распределительной системы 204бортовой ФАР, выполненной по технологии гальванопластики4.4Разработка низкопрофильного антенного модуля спутниковой 216связи сантиметрового диапазона волн с электронно-механическимформированием диаграммы направленности, предназначенногодля работы на подвижных объектах4.5Выводы по главе 4235Заключение236Литература238Вводимые обозначения и сокращения251ПриложениеА:Многолучеваяантеннателекоммуникационной 254системы возвращаемого космического аппарата.5ВВЕДЕНИЕАктуальность темы диссертацииВпоследнеевремянаметиласьтенденцияккомплексированиюрадиотехнических систем и созданию многофункциональных радиоэлектронныхкомплексов.

Одной из актуальнейших проблем антенной техники являетсярасширение функциональных возможностей радиотехнических комплексов,путем применения в них широкополосных и многодиапазонных антенных системс широкоугольным электрическим сканированием, расширенным секторомобзора, а в некоторых случаях и моноимпульсным режимом работы. Антенныесистемы мобильных радиоэлектронных комплексов радиолокации и связи такжедолжны обладать высоким энергетическим потенциалом. Решение этих проблемспособствует созданию нового поколения бортовых радиоэлектронных систем(РЭС) с интегрированием функций радиолокационной станции (РЛС), навигацииопознавания и др., т.е.

разработке интегрированного радиоэлектронногокомплекса (РЭК), выполненного в виде многорежимного комплекса с быстрымпереключением антенных лучей.В последнее десятилетие интенсивно развивалась теория и техникафазированных антенных решеток (ФАР). Написаны монографии, разработанысистемныеэлектродинамическиемоделиисозданыантенныерешеткистрельбовых комплексов (С-300, С-300В, Patriot) и бортовых РЛС трехсантиметрового диапазона (Жук, Сокол и др.).

Существующая теория ФАР иактивных фазированных антенных решеток (АФАР) позволяет рассчитатьожидаемые характеристики таких систем, однако, дальнейшее развитие антеннойтехникитребуетхарактеристиками.созданияВконкурентоспособныхчастности,ктакимРЭСсредствамсможноновымиотнестиинтегрированные бортовые комплексы РЛС, работающие одновременно нанескольких частотах или осуществляющие электрическоесканирование всекторе, превышающем ±60̊ [1-4].

Для расширения сектора сканирования и6рабочейполосычастотприменяютсяразличныевыпуклые,атакжекомбинированные антенные решетки. Возможно также применение купольныхсхем построения, сочетающих в конструкции плоскую и неплоскую антеннуюрешетку из волноводных или диэлектрических линз, расширяющих секторсканирования [5-10].Для совмещения функций различных радиосистем ФАР должна обеспечиватьприемлемые характеристики направленности в широкой полосе. Одним издальнейших направлений развития бортовых антенн является разработкамногочастотных антенных решеток (АР) и ФАР, так называемых, совмещенныхантенн, работающих с одного раскрыва в различных диапазонах частот.Использованиевторогодиапазонапозволяетулучшитьточностныехарактеристики и повысить помехозащищенность системы [11-13].Особо остро стоит вопрос по созданию ФАР и АФАР миллиметровогодиапазона.

Целый ряд проблем, связанных с формированием антенного полотна иосуществлением управления лучом в коротковолновой части миллиметровогодиапазона рассмотрен в работах [14-19].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 [20].

Эти же проблемы относятся и ксовмещенным ФАР радиолокационных систем [21]. Необходимость увеличенияшага элементов способствует решению ряда конструкторских задач, напримертеплоотводу. Одним из возможных путей решения может быть оптимизациясхемы построения антенного полотна.Излитературыизвестныширокополосныеисовмещенныемногофункциональные АР [22-27]. Однако рассматриваемые антенны имеютсложную распределительную систему и не обеспечивают необходимые в7настоящее время технические характеристики. Применение выпуклых ФАР(ВФАР), позволяет расширить рабочую полосу частот и увеличить расстояниемежду элементами без потери коэффициента усиления (КУ), уменьшить уровенькоммутационных боковых лепестков и упростить согласование излучателей вантенной решетке [28].

Отмеченные в монографии [28] сложности практическойреализации в настоящее время можно достаточно просто преодолеть, используясовременную элементную базу. В процессе развития ВФАР были предложены иисследованы различные варианты размещения элементов: на цилиндрических,конических, сферических поверхностях, но ВФАР по-прежнему имеют большиегабаритыичислоэлементовсущественнопревышающееминимальнонеобходимое.Перспективным направлением создания бортовых антенных систем являютсяАФАРспространственнымдиаграммообразованиемразмещением[29-38].Втакихэлементоврешеткахицифровымупрощаетсясхемаформирования диаграммы направленности, а также создание ДН специальнойформы или практическая реализация моноимпульсного режима работы припомощи цифровой системы формирования луча.

Таким образом, АФАРобеспечивает высокую крутизну пеленгационных характеристикза счетпространственной схемы размещения элементов в апертуре и цифровойдиаграммообразующей системы.РанеепространственныеАРненаходилиширокогопрактическогоприменения из-за сложности распределительных систем. В настоящее времясуществует целевая программа по разработке приемо-передающих модулей(ППМ) АФАР.

Создается также цифровая элементная база, на основе которойстановится возможным решение новых задач, связанное с повышениемэнергетическогопотенциалаантенныхсистемзасчетмодернизациираспределительных систем и изменения структуры антенного полотна.

При этомструктура распределительной системы сильно упрощается. В литературе и прирешении ряда практических задач были рассмотрены и разработаны также модели8аналоговых распределительных систем, которые подходят для широкополоснойработы и формирования моноимпульсного режима пеленгации.В современных бортовых антенных системах уровень бокового и обратногоизлучения не должен превышать -20дБ при достаточно жестких требованиях кэнергетическим и массогабаритным характеристикам. Размеры раскрыва такихсистем определяются размерами поперечного сечения летательного аппарата(ЛА).

Использование спадающего амплитудного распределения для уменьшенияУБЛ приводит к сильному уменьшению усиления АР. Известны различныезаконы изменения амплитудно-фазового распределения (АФР), а также широкоприменяется синтез АФР для получения требуемого УБЛ при минимальномпадении усиления. Для решения задач синтеза наиболее эффективнымиоказываются численные методы оптимизации, такие, например, как генетическийалгоритм [39]. Однако, численные методы оптимизации применимы при работеантенной системы в узкой полосе частот. Поэтому целесообразно использоватькомбинированные методы синтеза амплитудно-фазового распределенияипространственного размещения элементов АР.

Для таких структур необходимоопределить характеристики направленности и энергетические характеристики ипровести сравнение этих характеристик с существующими АР.Таким образом, основными направлениями развития бортовых антенныхсистем являются:а)повышение функциональных возможностей за счет расширения рабочейполосы и сектора сканирования;б)изысканиепутейпостроенияиразработкаматематическихиэлектродинамических моделей антенн с широкоугольным сканированием,широкой рабочей полосой или специальной формой диаграммы направленности;в)разработка методик синтеза различных структур построения антенногополотна с плоским и пространственным размещением элементов, а также оценкадопусков при изготовлении.9При реализации указанных направлений развиваются основы теоретическогоисследованиябортовыхантенныхрешетокиразрабатываютсяихэлектродинамические модели с учетом условий эксплуатации.