Диссертация (Бортовая сканирующая широкополосная линейная АР дециметрового диапазона)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙУНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиМилосердов Максим СергеевичБОРТОВАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯЛИНЕЙНАЯ АР ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА05.12.07 - АНТЕННЫ, СВЧ-УСТРОЙСТВА И ИХТЕХНОЛОГИИДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: д.т.н., профессор Гринев А.Ю.Москва – 20142СодержаниеСодержание .......................................................................................................... 2Обозначения и сокращения .................................................................................

6Введение ............................................................................................................... 7Основные задачи диссертации ................................................................. 8Научная новизна .......................................................................................

9Методология и методы исследования...................................................... 9Основные положения, выносимые на защиту ......................................... 9Теоретическая и практическая значимость ........................................... 10Достоверность полученных результатов ............................................... 11Реализация и внедрение результатов ..................................................... 11Апробация результатов работы.............................................................. 11Публикации. ............................................................................................ 12Структура и объем работы .....................................................................

121Многофункциональная широкополосная ФАР ...................................... 161.1Постановка задачи.................................................................................... 161.1.1 Общие требования к полотну ФАР ......................................................... 181.1.2 ФАР L-диапазона......................................................................................

191.1.3 Структурная схема АФАР ....................................................................... 191.2Принципы построения широкополосных АР ......................................... 221.2.1 Принцип усиления эффекта взаимного влияния элементов АР(связанная АР, принцип "листа тока") ..............................................................

221.2.2 Принцип управления эффектом взаимного влияния элементов АР ..... 231.2.3 Принцип разрушенияпериодичности (апериодичные, мозаичныеструктуры АР). ................................................................................................... 231.3Выбор излучающих элементов................................................................ 241.4Выводы ..................................................................................................... 312Линейная широкополосная антенная решетка дециметрового диапазонана основе логопериодических излучателей ...................................................... 3232.1Логопериодический печатный излучатель ............................................. 332.1.1 Геометрия ЛПВА ..................................................................................... 332.1.2 Методика расчета печатной ЛПВА.........................................................

352.1.3 Результаты предварительного численного моделирования................... 372.2Особенности питания ЛПВА................................................................... 402.2.1 Непосредственноеподключениерадиочастотногокоаксиальногокабеля.................................................................................................................. 402.2.2 Питание печатной ЛПВА с помощью симметричной полосковой линии................................................................................................................... 422.3Способысокращенияразмеровлогопериодическогопечатногоизлучателя........................................................................................................... 462.3.1 Влияние диэлектрика на характеристики ЛПВА ................................... 462.3.2 Использование вибраторов сложной формы в печатной ЛПВА ...........

512.3.3 Влияние П-образного профиля на характеристики печатной ЛПВА.... 532.4Линейная антенная решётка на основе логопериодического печатногоизлучателя........................................................................................................... 562.4.1 Влияние П-образного короба на характеристики излучателя в составебесконечной АР.................................................................................................. 572.4.2 Влияние элементов крепления на характеристики излучателя в составебесконечной АР.................................................................................................. 602.4.3 Оптимизация структуры ЛПВА в носке крыла ...................................... 612.4.4 Конструкция логопериодического излучающего элемента линейнойАР, размещенного в носке крыла ......................................................................

652.5Результаты моделирования печатной ЛПВА в носке крыла в составеконечной линейной АР ...................................................................................... 662.5.1 Качество согласования излучающих элементов..................................... 662.5.2 Характеристики направленности антенной системы ............................. 712.6Выводы ..................................................................................................... 7743Линейная широкополосная антенная решетка дециметрового диапазонана основе монопольных излучателей................................................................

793.1Конструктивные особенности монопольных печатных излучателей ... 803.1.1 Способы питания...................................................................................... 803.1.2 Выбор формы монопольного печатного излучателя.............................. 843.1.3 Излучающий элемент на модели бесконечной решетки........................ 913.2Влияние П-образного металлического короба ....................................... 923.2.1 Конструкция монопольного излучающего элемента линейной АР,размещенного в носке крыла ............................................................................. 983.3Результаты моделирования печатного монопольного излучателя вноске крыла в составе конечной линейной ФАР..............................................

993.3.1 Качество согласования ФАР на основе двухрезонансных монополей . 993.3.2 Характеристики направленности антенной системы ........................... 1043.4Выводы ................................................................................................... 1104Влияние объекта-носителя на характеристики фазированной антеннойрешетки и оценка её диаграммы обратного рассеяния .................................. 1114.1О методах численного решения электродинамических задач ............. 1124.1.1 К сравнению методов численного решения электродинамических задач.................................................................................................................

1124.1.2. Гибридный метод моделирования: метод моментов – метод физическойоптики ............................................................................................................... 1144.1.3 Тестирование гибридного метода ММ-ФО .......................................... 1194.2Оценка влияния объекта-носителя на характеристики ФАР ...............

1234.2.1 Влияниеобъекта-носителянахарактеристикиАРизлогопериодических и монопольных излучателей .......................................... 1254.3Оценка эффективной поверхности рассеяния антенной системыдециметрового диапазона с электронным управлением лучом..................... 1314.3.1 К оценке ЭПР рассеивателя................................................................... 13154.3.2 Моделирование ЭПР АР дециметрового диапазона при облученииволной сантиметрового диапазона .................................................................. 1354.3.3 СравнениеАРнаосноверазличныхтиповизлучателейпосовокупности параметров ................................................................................ 1464.4Выводы ...................................................................................................

154Заключение ....................................................................................................... 155Список литературы .......................................................................................... 1586Обозначения и сокращенияЭПР – эффективная площадь рассеянияФАР – фазированная антенная решеткаАФАР – активная фазированная решеткаАР – антенная решеткаКСВ – коэффициент стоячей волныДОР - диаграмма обратного рассеянияДН – диаграмма направленностиАС – антенная системаЭУЛ – электронное управление лучомЛА – летательный аппаратСШП – сверхширокополосныйМНИ – металлодиэлектрический неоднородный излучательМШУ – малошумящий усилительКУ – коэффициент усиленияЛПВА – логарифмически периодическая вибраторная антеннаЧСП – частотноселективные поверхностиКРВО – метод конечных разностей во временной областиММ – метод моментовММ-ФО – метод моментов - метод физической оптикиМКЭ – метод конечных элементов7ВведениеАктуальность темы исследования: Разработка многофункциональныхбортовых комплексов с фазированными активными антенными решетками(АФАР), использующими единую систему излучения в интересах несколькихрадиотехнических систем - важная проблема, стоящая на повестке дня.Решение такой задачи требует разработки принципов построения итехнических решений фазированных антенных решеток (ФАР) с широкойполосой частот (до октавы и более), которая перекрывает частотные полосыиспользуемыхсистемиобеспечиваеттребуемыехарактеристикисогласования и направленности в широком диапазоне углов сканирования±(45-60º).Приэтом,кбортовымФАР,предъявляютсяжесткиемассогабаритные требования, необходимость учета влияния элементовконструкции и условий эксплуатации.Антенны, в частности ФАР, относятся к элементам существенноопределяющим локационную заметность ЛА, поэтому при разработке ФАРпомимо энергетических и полевых характеристик требуется проводитьоценку и применять меры для снижения эффективной поверхность рассеяния(ЭПР) ФАР.РасширениеполосырабочихчастотФАРсширокоугольнымсканированием обеспечит существенное продвижение в создании новогопоколениямногофункциональныхрадиотехническихкомплексов,выполняющих функции РЛС, радиотехнической разведки, радиоэлектроннойборьбы, государственного опознавания, радионавигации и радиосвязи.Актуальность работы обусловлена необходимостью расширения полосырабочих частот линейной ФАР дециметрового диапазона с широкоугольнымсканированием, расположенной в ограниченном объеме (площадь элемента0.25λmax x 0.25λmax) под радиопрозрачным обтекателем в передней кромкеотклоняемого носка крыла.Целью работы является разработка малогабаритной широкополоснойФАР дециметрового диапазона с рабочей полосой частот 1-1.6 ГГц,8сканирующей в секторе углов ±45°, размещаемой в ограниченном объеме ипредназначенной для антенной системы, выполняющей функции РЛС игосударственного опознавания.Основные задачи диссертацииВ соответствии с указанной целью в работе ставятся и решаютсяследующие задачи:1.Выбор принципа построения широкополосной ФАР и её излучающихэлементов.2.Разработка технических решений снижения габаритных размеровпечатных излучателей: логопериодического вибраторного и монопольного.3.Оптимизацияструктурымалогабаритныхпечатныхлогопериодического и монопольного излучателей в составе ФАР приразмещенииподрадиопрозрачнымобтекателемвблизипроводящихэлементов конструкции крыла.4.Моделированиеконечной12-тихарактеристикэлементнойнаправленностиширокополоснойиФАРсогласованиянаосновемалогабаритных печатных логопериодических излучателей, размещенной вограниченном объеме под радиопрозрачным обтекателем в передней кромкеотклоняемого носка крыла при сканировании в секторе углов ±60º.5.Моделированиехарактеристикнаправленностиисогласованияконечной 12-ти элементной широкополосной АР на основе монопольныхизлучателей, размещенной в ограниченном объеме под радиопрозрачнымобтекателем в передней кромке отклоняемого носка крыла при сканированиив секторе углов ±60º.6.Оценка влияния объекта-носителя на характеристики конечной 12-тиэлементной АР на основе печатных излучателей: логопериодического имонопольного.7.Оценка диаграммы обратного рассеяния (ДОР) конечной 12-тиэлементной ФАР из печатных логопериодических элементов и печатных9треугольных двухрезонансных монопольных элементов, в передней кромкеотклоняемого носка крыла.8.Сравнение ФАР на основе рассмотренных элементов по совокупностипараметров и выбор наилучшего решения по интегральному признакуметодом весовых коэффициентов.Научная новизна обусловлена предложенным и разработаннымкомплексомтехническихрешений(снижениегабаритныхразмеров,оптимизация параметров с учетом взаимного влияния излучателей иэлементов конструкции), позволившим обеспечить требуемые техническиехарактеристикиограниченномФАРдециметровогопространствевдиапазона,переднемотсекерасположеннойотклоняемоговноскаподвижной консоли крыла.Методология и методы исследованияДля решения поставленных задач используются: методы конечныхразностей во временной области, конечных элементов и гибридный длярасчета излучающих элементов (одиночных и в составе полотна линейнойФАР).Метод глобальной оптимизации (генетический алгоритм) использовалсядляпоискаглобальногоминимумаоптимизируемойневыпуклойимногопараметрической целевой функции (оптимизационного функционала)для поиска параметров излучателей полотна ФАР.Основные положения, выносимые на защиту1.Предложенный и разработанный комплекс технических решений(снижение габаритных размеров, оптимизации параметров с учетомвзаимного влияния излучателей и элементов конструкции) обеспечиваетсканированиерасположенныхФАРвизпечатныхограниченномлогопериодическихпространстве(площадьэлементов,элемента0.25λmax x 0.25λmax) в переднем отсеке отклоняемого носка подвижной10консоли крыла, в секторе углов ±45º по уровню КСВН ≤ 3 в рабочей полосечастот 1..1.6 ГГц.2.Предложенный и разработанный комплекс технических решений(снижение габаритных размеров, оптимизации параметров с учетомвзаимного влияния излучателей и элементов конструкции) обеспечиваетсканирование ФАР из печатных монопольных элементов, расположенных вограниченномпространстве(площадьэлемента0.25λmax x 0.25λmax)впереднем отсеке отклоняемого носка подвижной консоли крыла, в сектореуглов ±45º по уровню КСВН ≤ 2.8 в рабочей полосе частот 1..1.6 ГГц.3.Численное моделирование на основе метода конечных разностей вовременнойобласти,гибридногометодаиалгоритмовглобальнойоптимизации позволило определить основные энергетические и полевыехарактеристики и подтвердить правильность заложенных техническихрешенийпостроения12-тиэлементнойФАРнаосновепечатныхлогопериодических и двухрезонансных монопольных излучателей с учетомособенностей размещения.Теоретическая и практическая значимость результатов работысостоит в следующем: Произведен расчет и получены характеристики согласования инаправленности конечной 12-ти элементной ФАР на основе печатныхлогопериодических излучателей, размещенной в ограниченномпространстве в переднем отсеке отклоняемого носка крыла подрадиопрозрачным обтекателем. Произведен расчет и получены характеристики согласования инаправленности конечной 12-ти элементной ФАР на основе печатныхдвухрезонансныхмонопольныхизлучателей,размещеннойвограниченном пространстве в переднем отсеке отклоняемого носкакрыла под радиопрозрачным обтекателем.11Проведена оценка диаграммы обратного рассеяния конечных12-ти элементных ФАР на основе печатных логопериодических идвухрезонансных монопольных излучателей.Полученные результаты могут быть использованы при разработкебортовых широкополосных антенных систем дециметрового диапазона.Достоверность полученных результатов обусловлена корректнымвыбором моделей антенных систем и постановкой соответствующихэлектродинамических задач; использованием апробированных численныхметодоврешениямоделированияпоставленныхразличнымизадач;методамиипроведениечисленногосопоставлениеполученныхрезультатов; тестированием алгоритмов моделирования на модельныхзадачах.Реализация и внедрение результатовРезультаты диссертационного исследования, оформленные в виде акта овнедрении, вошли в эскизный технический проект составной части опытноконструкторской разработки «Разработка электродинамической модели ичисленное моделирование широкополосной системы излучения ФАР наосновеширокополосныхизлучателей»(шифр«Подкова-М1»)спредприятием НИИ приборостроения им.