Автореферат (Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевых АФАР)

На правах рукописиФирсов-Шибаев Денис ОлеговичДИАГРАММООБРАЗУЮЩАЯ СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯМНОГОЛУЧЕВЫХ АФАРСпециальность 05.12.07–Антенны, СВЧ устройства и их технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2013 г.Работа выполнена на кафедре Радиоэлектроники и телекоммуникацийНационального исследовательского университета «Высшая школа экономики»Научный руководитель:Климов Константин Николаевичдоктор технических наукОфициальные оппоненты: Литвинов Олег Станиславович,доктор физико-математических наук, МГТУ им.Н.Э. Баумана, профессор кафедры физики,факультет фундаментальных наук.Бобков Владимир Юрьевич,кандидат технических наук, ООО «ТехнологииРадиосвязи», генеральный директор.Ведущая организация:ФГУП «Особое конструкторское бюроМосковского энергетического института»Защита состоится «26» декабря 2013 г.

в 16.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.048.13 Национального исследовательскогоуниверситета «Высшая школа экономики» по адресу: 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., д.3, ауд. 526.СдиссертациейможноознакомитьсявбиблиотекеНациональногоисследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу:101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20.Автореферат разослан «___» ноября 2013 г.Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат технических наук, профессорНиколай Николаевич Грачев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Актуальность создания многолучевых антенн АФАР связана с развитиемсистем радиолокации, связи и средств контроля радиоэлектронной обстановки.Многолучевые антенны обеспечивают увеличение емкости радиосетей приулучшеннойспектральнойэффективностииболеевысокомкачествеобслуживания пользователей.МноголучеваяАФАРимеетмноголепестковуюдиаграммунаправленности.

Обычно она имеет несколькими независимых входов ивыходов, каждому из которых соответствует своя диаграмма направленности свойлуч.МноголучеваяАФАРосуществляетпараллельныйобзорпространства, т.е. в пространстве одновременно формируется множество лучей,расположенных дискретно в секторе сканирования. Сигналы, поступающие наАФАР с различных направлений, могут быть разделены и переданы наразличные порты антенны, т. е. разделены в пространстве.Предметомисследованиядиссертационнойработыявляетсядиаграммообразующая система (ДОС).

ДОС является основным и одним изсамых дорогостоящих звеньев в многолучевой антенной решетке. Ее задачейявляется формирование амплитудно-фазового распределения (АФР) на входахизлучателей антенной решетки. Для увеличения коэффициента направленногодействия (КНД), а следовательно и коэффициента усиления антенной системы(КУ) необходимо минимизировать в основном фазовые ошибки в фазовомраспределении. Поэтому создание методики синтеза диаграммообразующейсистемы оптического типа, минимизирующей фазовые ошибки в фазовомраспределении для многолучевых АФАР является актуальной темой.3Целью диссертационной работы является создание методики синтеза наоснове геометрооптического приближения диаграммообразующих системоптического типа для многолучевых АФАР, минимизирующей фазовые ошибкив фазовом распределении.Задачи исследования.1)Теоретическая часть:- разработкагеометрическойинтерпретацииметодикисинтезадиаграммообразующей системы оптического типа, на основе законовгеометрической оптики.2)Практическая часть:- разработкачисленныхпроцедур,реализующихметодикусинтезадиаграммообразующей системы на основе законов геометрическойоптики;- внедрение разработанных численных процедур в инженерную практикупри проектировании диаграммообразующих систем.Общая методика исследования заключалась в применении законовгеометрической оптики для геометрической интерпретации синтеза ДОСОТ, атакже в использовании уравнений Максвелла для разработки численныхпроцедур, описывающих методику синтеза диаграммообразующей системыоптического типа.Научная новизна работы.При решении задач, поставленных в диссертационной работе, полученыследующие новые научные результаты:1.Развитаметодикасинтезадиаграммообразующихоптического типа на основе законов геометрической оптики.4систем2.Найденыаналитические выражения, позволяющие оцениватьгабаритные размеры диаграммообразующей системы оптического типа длямноголучевых АФАР.3.Найдены аналитические выражения для угла отклонения лучасистемы ДОСОТ АФАР.4.Найдены аналитические выражения для определения оптимальногоположения передающих зондов, минимизирующие средние и максимальныефазовые ошибки.5.Разработанная ДОСОТ промоделирована на электродинамическомуровне с использованием универсальных электродинамических программ встационарном и переходном режимах.Обоснованность и достоверность научных положений и выводов,сформулированных в диссертации, подтверждается:- использованиемтеоретическиобоснованногоимногократноапробированного метода геометрической оптики;- проведением аналитических исследований, численных расчетов напрограммах электродинамического моделирования, а также проведениемэкспериментальных исследований.Практическая ценность.Предложенная методика позволяет эффективно решать задачи синтезадиаграммообразующих систем для многолучевых АФАР.Практическаяценность работы состоит в том, что разработанная методика позволяетуменьшить время разработки, снизить затраты, уменьшить габариты и массуконечно изделия.

Кроме того, данная методика была реализована в вычисленииместоположения зондов, что позволило эффективно синтезировать ДОСОТ припроизвольном масштабировании с учетом конструкторско-технологическихтребований.5Реализация и внедрение результатов работы.Основные результаты диссертационной работы внедрены в практикупроектированияипроизводстваОАО«НПОЛЭМЗ».Результатыдиссертационной работы были использованы при проектировании пяти лучевойдиаграммообразующейсистемыоптическоготипадляформированиясуммарной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП;результаты диссертационной работы были использованы при проектированиипятилучевойдиаграммообразующейсистемыоптическоготипадляформирования суммарно-разностной диаграммы направленности приемнойантенной решетке ВВО-АП.Выпущены методические указания к лабораторным работам, разработаныивнедренывучебныйтелекоммуникаций"МИЭМпроцессНИУнакафедреВШЭ"Радиоэлектроникивычислительныеипроцедуры,реализованные на программном комплексе MathCAD, которые используютсяпри проведении лабораторных работ по курсу "Техническая электродинамика"в 7, 8 семестре для групп по специальности 211000 "Конструирование итехнология электронных средств".Положения, выносимые на защиту.•Реализация методики синтеза ДОСОТ для многолучевых АФАР наоснове методов геометрической оптики.•Реализация методики оценки габаритных размеров ДОСОТдляАФАР.•Аналитические выражения для вычисления угла отклонения лучасистемы ДОСОТ для АФАР.6•Аналитическоевыражениедлянахождениярасстоянияпередающего зонда от вершины эллипса, на котором расположены приемныезонды для минимизации средней фазовой ошибки.•Аналитическоевыражениедлянахождениярасстоянияпередающего зонда от вершины эллипса, на котором расположены приемныезонды для минимизации локальной фазовой ошибки на границе апертуры.Апробация работы.Результаты работы, изложенные в настоящей диссертации, былидоложены автором на следующих конференциях:•Научно-техническойконференциистудентов,аспирантовистудентов,аспирантовистудентов,аспирантовимолодых специалистов МИЭМ, Москва, 2011 г.•Научно-техническойконференциимолодых специалистов МИЭМ, Москва, 2012 г.•Научно-техническойконференциимолодых специалистов МИЭМ, Москва, 2013 г.•18-ой Международной студенческой конференции-школы-семинар«Новые информационные технологии», Крым, 2010 г.По теме диссертации опубликовано в соавторстве 2 статьи в журнале“Антенны”, 2 статьи в журнале «Радиотехника и электроника», 2 монографии виздательстве«LambertAcademicPublishing»,частьматериалабылаиспользована в методических указаниях к лабораторным работам, выпущенныхна кафедре РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ.Объем и структура диссертации.Работа состоит из 6 глав (а также введения и заключения), содержит 205страниц основного текста, 5 страниц списка литературы (42 наименования), 121рисунков,приложение,содержащее2диссертационной работы.7актавнедрениярезультатовСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении излагаются: постановка задачи и обоснование выбораметодикиеерешения,основныезадачидиссертационнойработывтеоретическом и практическом плане, ее научная новизна и практическаяценность.Впервойглаверассмотреныобщиепринципыпостроениядиаграммообразующих систем для многолучевых АФАР.

Показаны два типапостроения ДОС: последовательного и параллельного типа. В данной главепроизведен анализ существующих решений в области диаграммообразующихсистем оптического типа. Выбран тип ДОСОТ для решения поставленных задачдиссертационной работы.Во второй главе описана методика синтеза диаграммообразующейсистемы, а также методика по нахождению местоположений приемных зондови передающих зондов с учетом критериев по минимизации средней фазовойошибки и локальной фазовой ошибки на границе апертуры.Рассмотрим систему, структурная схема которой изображена на рис.1.Система состоит из распределительной системы оптического типа иизлучающей апертуры.8L1L1L1L1AL1Z1Z2Z3ИзлучающаяапертураR1R2R3R4R5Z1'dZ2'Z3'ZM-1'ZM'L1RN-4RN-3ZN-2ZN-1ZNL1L1L1RN-2RN-1RNРаспределительная системаРис.

1. Структурная схема многолучевой фазированной антенной решетки сдиаграммообразующей системы оптического типа.Диаграммообразующая система оптического типа показана на рис. 2 исостоит из полости в металле A , M излучающих зондов Z1' ÷ Z M ' , N приёмныхзондов Z1 ÷ Z N , N коаксиальных кабелей длиной L1 (см. рис. 1 и рис. 2.) иявляется Н-плоскостной системой [10, 11].9Z1 Z2 Z3Z1'AZ2'Z3'ZM-1'ZN-2ZN-1ZNZM'Рис. 2. Геометрия диаграммообразующей системы оптического типа.Излучающая апертура состоит из N излучателей R1 ÷ RN (см.