Отзыв оппонента (Малогабаритные многослойные печатные антенны)

отзыв официального оппонента на диссертацию Папилова Константина Борисовича на тему «Малогабаритные многослойные печатные антенны», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальностям 05.12.07 — Антенны, СВЧ устройства и их технологии. Актуальность работы Диссертационная работа К.Б. Папилова посвящена исследованию миниатюрных печатных антенн 1МПА) дециметрового диапазона длин волн, предназначенных для компактной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), а также аварийных радиомаяков системы КОСПАС вЂ” САРСАТ (К вЂ” С).

Основная проблема, возникающая при созданию антенн в диапазонах 1 1 и 1 2, состоит в том, что при длине волны 20 — 25 см полуволновый печатный излучатель (ПИ) с воздушным заполнением имеет большие поперечные габаритные размеры 100 — 125 мм, а на частоте первого диапазона К вЂ” С, равной 406 МГц, еще большие — 370 мм. Поэтому возникает необходимость кардинального, как минимум, в 3 — 5 раз, уменьшения размеров ПИ с минимальными издержками по: во-первых, ширине полосы рабочих частот, которая должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к аппаратуре ГНСС и К вЂ” С; нов вторых, эффективности излучения, или дополнительно вносимым диссипативным потерям; в — третьих, коэффициенту эллиптичности; в— четвертых, стабильности фазового центра.

Антенна должна иметь максимально простое конструктивное исполнение, пригодное для ее массового серийного изготовления, и при этом функционировать в жестких условиях внешних механических воздействий, перепада температуры и радиационного излучения. Цель диссертационной работы — решение этих задач, что и определяет ее актуальность. Оценка содержания диссертации Работа состоит из пяти глав и списка литературы, занимает солидный объем — 170 страниц и содержит 132 рисунка. Имеет традиционную структуру, при которой в первой главе сделан аналитический обзор литературы по теме исследования и сформулированы решаемые задачи. В трех последующих главах второй, третьей и четвертой излагаются основные теоретические результаты, а в завершающей пятой главе приведены данные экспериментального исследования МПА.

Проанализируем содержание каждой из них в отдельности и дадим оценку полученных результатов. Полагаю, что интересным и сушественным результатом первой главы диссертации является предложенное соискателем разделение множества МПА 1насчитывающего к настоящему времени многие сотни, а скорее даже, тысячи конструктивных вариантов) на три базовых типа. К первому из них отнесены те, центральная частота рабочего диапазона которых может варьироваться только путем изменения параметров материала подложки, а это однослойные излучатели с классической формой планарного резонатора — дисковой и прямоугольной.

Ко второму типу сведено множество однослойных, имеющих сложную, в общем случае многосвязную топологическую форму металлизации печати, резонансные свойства которой позволяют снижать центральную частоту, реализовывать режимы многочастотного функционирования, расширять рабочий диапазон частот, обеспечивать круговую поляризацию излучаемой волны. Наконец, последний третий тип — это малогабаритные многослойные МПА, исследованию оригинального, запатентованного двухслойного варианта которых и посвящено основное содержание работы.

Именно этот тип МПА, формирующих круговую поляризацию излучаемого электромагнитного поля, подробно исследован во второй главе диссертации. В работе рассматриваются два основных варианта реализации этих антенн, отличающихся тем, что в верхнем слое располагается либо полосковый, либо щелевой излучатель.

Вначале проведен качественный анализ характеристик этих двух типов МПА при помощи метода синфазно— противофазного возбуждения и исследованы собственные резонансы. Выявлено наличие паразитного колебания, возникающего в полосковом варианте, и которое не удалось подавить путем усложнения схемы возбуждения. Сделан полезный и практически важный вывод о преимуществе шелевого излучателя перед полосковым Затем проведено компьютерное моделирование многослойных МПА, а также дано сравнение результатов моделирования традиционного полуволнового излучателя, реализованного на материале ФЛАН вЂ” 10, с данными натурных измерений макетных образцов.

Это дополнительное исследование позволило соискателю оценить достоверность компьютерной симуляции и дать рекомендации по выбору параметров сеточной модели, применяемой при расчете на ЭВМ характеристик антенны с помощью методов вычислительной электродинамики. Уменьшение габаритных размеров МПА приводит к однозначному ухудшению ие всех параметров навигационной антенны.

Например, форма амплитудной составляющей векторной комплексной диаграммы направленности (ДН) с эллипсоидной начинает приближаться к сферической, а при круговой поляризации, кроме того, сначала сглаживаются, а затем и исчезают нули ДН при малых углах места. Это обстоятельство также приводит к необходимости миниатюризации МПА. Геометрия основного объекта исследования диссертации — шелевой антенны сложна и характеризуется множеством топологических параметров, подлежащих варьированию.

Поэтому во весь рост встает задача многопараметрической, многокритериальной оптимизации изделия, а также сравнения его характеристик с характеристиками других типов антенн. Решению этих вопросов посвящена третья глава работы, При этом автор успешно применил методы теории векторной оптимизации, разработанной Л.С.

Гуткиным. Введены, полагаю, полезные понятия множеств строго допустимых (МСД) и нехудших (МНХ) вариантов реализации антенн, т.е. тех конструктивных вариантов изделий, выходные характеристики которых удовлетворяют всем заданным ограничениям. Причем МНХ позиционируется внутри МСД путем введения дополнительного, безусловного критерия предпочтения. Вначале проведена оптимизация и дано сравнение параметров следующих типов МПЛ с линейной поляризацией волны: полуволновой, четвертьволновой, полуволновой свернутой и четвертьволновой свернутой. Затем аналогичное исследование выполнено для МПА с круговой поляризацией следующих типов: двухслойных полосковой и щелевой, а также излучателя с квадратной формой.

Сопоставление между собой МНХ для разных МПА позволило определить области в пространстве показателей качества, в которых новые конструкции антенн (многослойная щелевая и полосковая) имеют преимущества перед известными вариантами. В третьей главе, по сути дела, решается задача параметрического синтеза МПА, то есть определения ее параметров по заданной совокупности показателей качества. Сопоставление между собой множеств МНХ и синтез МПА по заданным показателям качества проводился при помощи специальной программы, предназначенной для работы в среде комплекса МатЬСай. Итак, в третьей главе представлен большой, интересный и полезный материал, который на примере МПА в значительной мере помогает структурировать трудоемкий процесс оптимизации СВЧ устройств.

В четвертой главе при помощи методики векторной оптимизации проведено сравнение различных схем возбуждения излучателей МПА с круговой поляризацией формируемой ими волны. Использовались три показателя качества: эквивалентная добротность, коэффициент усиления и коэффициент эллиптичности. Сравнивались между собой одноточечная, двухточечная и четырехточечная схемы возбуждения излучателя с использованием как реактивных, так и балансных делителей мощности.

По результатам проведенного анализа сделаны следующие очень полезные в практическом отношении выводы: 1) Одноточечная схема практически эквивалентна двухточечной с реактивным делителем мощности. В виду простоты конструкции одноточечная схема является однозначно лучшим вариантом. 2) Двухточечная схема с балансным делителем мощности сопоставима по показателям качества с четырехточечной. Так как двухточечная схема деления проще, то она является предпочтительнее. Таким образом нехудшими вариантами являются одноточечная схема и двухточечная с балансным делителем. Причем одноточечная имеет почти двойной выигрыш по ширине полосы рабочих частот для КСВ по уровню 2, а двухточечная характеризуется существенно лучшими полосовыми характеристиками по коэффициенту эллиптичности. В пятой главе представлены экспериментальные данные, в которых отражены результаты исследования ряда конструкций многослойных МПЛ, которые подтверждают достоверность результатов диссертационной работы.

Так, проведено сопоставление между многослойной щелевой и полуволновой антеннами. В обеих использовано воздушное заполнение объема. Сравнение показало, что КПД этих антенн практически одинаковы и близки к единице. Полуволновая характеризуется шириной полосы частот 10'.4, а щелевая — 2.5',4.

По объему щелевая антенна оказалась меньше, чем полуволновая в 13 раз. Этот результат подтверждает эффективность использованных в диссертации технических решений для миниатюризации антенн. Далее, дан пример практической реализации многослойной полосковой антенны, обладающей двухдиапазонным режимом функционирования. Предложенная конструкция выполнена в трех слоях диэлектрика, два из которых занимает щелевая МПА, исследованная во второй главе диссертации, а оставшийся третий слой это традиционная полуволновая антенна с одноточечным питанием.