Лиманский, Владимир Николаевич. Линейные излучатели на основе полуоткрытого желобкового волновода

Краткое описание

Лиманский, Владимир Николаевич. Линейные излучатели на основе полуоткрытого желобкового волновода : диссертация ... кандидата технических наук : 05.12.07 / Лиманский Владимир Николаевич; [Место защиты: Новосиб. гос. техн. ун-т].- Новосибирск, 2010.- 201 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/56

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

ЛИНЕЙНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОЛУОТКРЫТОГО ЖЕЛОБКОВОГО ВОЛНОВОДА
Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии
04201062277
29.11.2010
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель - д.т.н., проф. В.П. Петров
Новосибирск 2010 
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1.111-ВОЛНОВОД. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОБЛЕМЫ 10
1.1. Общие положения 10
1.1.1. Структура Ш-волновода 10
1.1.2. Ш-волновод как аналог прямоугольного волновода 10
1.1.3. Ш-волновод как аналог симметричной полосковой линии 11
1.2. Решение А.Олинера для критической длины волны в Ш-волноводе 11
1.3. Расчёт поля в симметричном Ш-волноводе 13
1.4. Сравнение Ш-волновода с прямоугольным волноводом 17
1.5. Возбуждение Ш-волновода 17
1.6. Учёт конечной толщины ножа 19
1.7. Несимметричный Ш-волновод 21
1.8. Учёт конечной толщины ножа несимметричного Ш-волновода 25
1.9. Ш-волноводные излучатели 27
1.9.1. Излучатель с непрерывной неоднородностью 27
1.9.2. Ш-волноводный излучатель с дискретными неоднородностями. ..29
1.10. Выводы : 31
2. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ Ш-ВОЛНОВОДА 33
2.1. Электромагнитное поле в симметричном Ш-волноводе 33
2.1.1. Критическая длина волны 38
2.1.2. Расчёт амплитуд пространственных гармоник 40
2.2. Мощность, переносимая Ш-волноводом 41
2.3. Потери в стенках Ш-волновода 47
2.4. Определение коэффициентов связи излучающих неоднородностей с магистральным Ш-волноводом 50
2.5. Выводы 52
3. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ... 54
3.1. Обзор методик проектирования волноводно-щелевыхых излучателей 54
3.2. Проектирование излучателей с учётом линейных фазовых поправок 55
3.3. Учёт фазовых поправок высших порядков 59
3.4. Проектирование Ш-волноводных излучателей 60
3.5. Измерение широких поперечных диаграмм направленности 83
3.6. Выводы 91
4. КОНСТРУИРОВАНИЕ Ш-ВОЛНОВОДНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 93
4.1. Система возбуждения Ш-волновода 93
4.2. Конфигурация излучающих неоднородностей 95
4.3. Модифицированный профиль Ш-волновода 97
4.4. Имитационное моделирование линейных антенных решёток 98
4.5. Выводы 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ 107
Приложение 1 119
Приложение 2 122
Приложение 3 127
Приложение 4 137
Приложение 5 152
Приложение 6 169
Приложение 7 188
Приложение 8 190
Приложение 9 196
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Линейные излучатели различных типов* используются для построения плоских фазированных антенных решёток (ФАР) с одномерным электрическим сканированием..
Жёсткие требования к уровню боковых лепестков" в азимутальной плоскости ФАР, используемых в современных радиолокационных станциях (РЛС), до сих пор удавалось удовлетворить с использованием волноводно¬щелевых излучателей,, разработанных по традиционной методике. Альтернативой им могут служить. Ш-волноводные излучатели, однако для них не существует даже приближённых методик; расчёта: Невозможность снижения ;уровня4 боковых лепестковщзлучателеШдо требуемой? величины* во многих случаях ограничивает тактико-технические^ характеристики» РЛС, в КОТОрЬШОНИ используются:
Трудности; заключаются в том,' что* элементы линейных: излучателет взаимодействуют как по внешнему пространству, так и по системе их питания, и строгий? расчёт : параметров этих взаимодействий- не представляется возможным; Кроме того; при расчёте параметров? линейных; излучателей следует также: учитывать влияние: защитного: покрытия; необходимого» для-; обеспечения* пыле-; и, брызгозащищённостш антенны;, Для;: учёта этих факторов: обычно используются? различные приближённые модели, точность которых и ограничивает достижимый, уровень боковых лепестков;
Экспериментальная отработка излучателей осложнятся неопределенностью влияния различных параметров излучающих элементов; на амплитудно-фазовое распределение в апертуре антенны и собственно диаграмму направленности. Кроме того, немаловажным является конструктивно-технологический фактор, поскольку многоэлементный линейный излучатель является сложным и дорогим, устройством, а для каждого эксперимента необходимо изготавливать его целиком заново. По этой причине экспериментальные модели используются на практике лишь для проверки расчётных гипотез.
Поэтому задача построения высокотехнологичных линейных антенных излучателей с низким уровнем бокового излучения является актуальной.
Цель работы: Разработка методов проектирования линейных
излучателей для ФАР с низким уровнем боковых лепестков на основе Ш-волновода.
В соответствии с целью в диссертационной, работе поставлены и решены следующие задачи:
Усовершенствована методика расчёта электродинамических параметров полуоткрытого жолобкового Ш-волновода.
Найдено решение для расчёта параметров* излучающих неоднородностей, расположенных на дне Ш-волновода.
1. Разработана методика полунатурного моделирования линейных излучателей на основе канализирующей линии произвольного типа.
2. Проанализированы источники экспериментальных ошибок, приводящих к искажению истинной диаграммы направленности* линейных излучателей. Разработана методика измерения широких ДН линейных излучателей в поперечной плоскости на измерительных' стендах с вертикальной осью вращения.
3. Определены требования к параметрам амплитудно-фазового распределения и к величине ошибок его реализации с целью непревышения с высокой вероятностью заданного предельного уровня максимального бокового лепестка антенной решётки, случайного как по величине, так и по его угловому положению.
Методы исследования. Теоретические исследования параметров Ш-волновода проводились методом частичных областей с разложением решений уравнения Гельмгольца по собственным функциям областей Ш-волновода. Методика проектирования линейных излучателей предполагает итерационное моделирование измеренного амплитудно-
фазового распределения в раскрыве излучателя с использованием средств теории минимакса. Для определения параметров * распределения максимального бокового лепестка антенной решётки по его величине и угловому расстоянию от главного максимума ДН использовался метод статистических испытаний. Все расчёты выполнялись в среде MathCAD.
Научная новизна. В процессе исследований и разработки теоретических положений получены следующие научные результаты.
Разработаны принципы построения линейных излучателей ФАР с
низким уровнем боковых лепестков на основе полуоткрытого
желобкового ^волновода;
1. Уточнено , решение электродинамической задачи для симметричного Ш-волновода; определён вклад в это решение высших типов колебаний.
2. Получено выражение для определения величины коэффициента ответвления излучающей неоднородности в виде прямоугольного бруска, расположенного на дне Ш-волновода.
3. Разработана технологичная конструкция Ш-волноводного излучателя • с поперечным' коаксиально-волноводным* переходом, позволяющая использовать такой?излучатель в качестве элемента ФАР.
4. Найдены условия^ достижениям требуемого* уровня* бокового' излучения антенной решётки с заданной достоверностыо.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
- Разработана методика итерационного проектирования линейных излучателей ФАР на основе желобкового полуоткрытого волновода, позволяющая с помощью полунатурного моделирования исключить систематические ошибки амплитудно-фазового распределения и тем самым достичь уровня бокового излучения, ограничиваемого лишь технологическими производственными допусками;
- Разработана конструкция Ш-волноводного излучателя, позволяющая эффективно использовать его в качестве излучателя ФАР.
Внедрение результатов исследований. Разработанные методические и конструктивно-технологические решения использованы в разработках Сибирского центра сертификации
а также в учебном процессе преподавания электродинамических дисциплин в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Предложенная методика проектирования линейной антенной* решётки на основе вытекающей волны, включающая в себя измерение амплитудно-фазового распределения, позволяет исключить погрешности! теоретических моделей излучателя. Использование этой методики позволяет изготавливать линейные излучатели на основе полуоткрытого желобкового Ш-волновода с уровнем боковых лепестков минус 40дБ, изготавливая их на стандартном металлообрабатывающем оборудовании!
2. Технологичная конструкция структуры Ш-волноводного излучателя на основе Ш-образного волноводного проката с рупорным раскрывом и коаксиальный переход со стороны дна излучателя позволяют эффективно использовать его для построения плоских линейных ФАР со сверхнизким уровнем боковых лепестков.
3. Широкая ДН линейного излучателя в его поперечном сечении может быть измерена на стенде с вертикальной осью вращения при изменении-угла наклона излучателя при вращении стенда по определенному закону.
4. Предельный уровень боковых лепестков антенной решётки может быть оценен с высокой степенью достоверности на основании данных о коэффициенте использования поверхности и величине ошибок амплитудно-фазового распределения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы получили положительную оценку при обсуждении на XXVII Международной научно-технической конференции по теории и технике антенн (Москва, 1994г.), ряде Всесоюзных научно-технических конференций
по теории и технике антенн (Москва), Российской научно-технической конференции по информатике и проблемам телекоммуникаций (Новосибирск, 2007-2009г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 в научно-технических сборниках из списка, рекомендованного ВАК, 1 - в трудах Международной конференции, 4 - в трудах Российской конференции, 3 патента на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка литературы из 104 наименований, 10 приложений и содержит 118 страниц основного текста, включая 53 рисунка.
В первой главе исследована общая* теория- Ш-волновода с использованием традиционных методов решения, волноводных задач; а также с помощью метода поперечного резонанса. Проведён анализ полученных решений и сравнение результатов- расчётов Ш-волновода различными методами, а также сравнение основных параметров Ш-волновода и прямоугольного волновода.
В заключении- первой» главы поставлены задачи дальнейших теоретических исследований Ш-волновода> В' соответствии* с проведённым аналитическим обзором.
Во второй главе проведён углублённый теоретический анализ Ш-волновода с учётом высших типов колебаний, получено выражение для приближённого расчёта- величины связи излучающей неоднородности с магистральным Ш-волноводом.
В третьей главе изложена методика полунатурного итерационного проектирования линейных излучателей произвольного типа, включающая в себя:
- измерение амплитудно-фазового распределения в раскрыве предварительно рассчитанного излучателя;
- его численное моделирование для определения* неучтённых в предварительном расчёте эффектов;
- уточняющий расчёт и построение неэквидистантной решётки излучающих элементов с линейным фазовым распределением, обеспечивающим низкий уровень боковых лепестков.
Рассмотрен пример использования данной методики для проектирования Ш-волноводного излучателя:
В этой главе исследованы также способы измерения, специфических диаграмм направленности линейных излучателей в поперечной плоскости, определяющих траектории сканирования^ ФАР и поведение коэффициента усиления* в секторе сканирования: Предложена методика измерений, наиболее легко реализуемая. с помощью двухкоординатных автоматизированных измерительных стендов.
Четвёртая глава посвящена конструктивно-технологическим особенностям Ш-волноводного линейного излучателя. Предложена технология изготовления излучателя фрезерованием выемок в утолщённом дне'Ш-образного-волноводного проката. Показана возможность применения самосогласованных неоднородностей, без дополнительных согласующих элементов. Предложена система^ возбуждения излучателя' со стороны, дна Ш-волновода, позволяющая максимально использовать выделенный для, антенны габарит.
Исследовано также поведение максимального бокового лепестка антенной решётки, случайного по амплитуде и по угловому положению, в зависимости от величины нормированной случайной* ошибки4 амплитудно¬фазового распределения. Выведена эмпирическая формула для оценки предельного уровня боковых лепестков ФАР с достоверностью 0.999.
В заключении обобщены основные результаты исследований.
В приложении 1 представлены акты внедрения результатов диссертационной работы. Далее приведены программы основных расчётов, а также программа тестирования алгоритма минимакса методом D-функций.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В>процессе исследований и разработки теоретических положений получены* следующие научные результаты.
1. Разработана методика проектирования линейной антенной решётки на основе, полуоткрытого желобкового волновода, позволяющая исключить неточности теоретической модели излучателя. Это позволит разрабатывать линейные излучатели с уровнем- боковых лепестков, минус 40...минус 50 дБ, изготавливая их на стандартном металлообрабатывающем оборудовании. -
Данная методика проектирования может использоваться для разработки линейных, волноводных излучателей произвольного типа, в том числе волноводно-щелевых антенных решёток.
. 2: Разработана технологичная > конструкция Ш-волноводного излучателя на основе; Ш-образного волноводного проката, с. утолщённым дном и. рупорным раскрывом. Коаксиальный переход со стороны дна. излучателя; позволяет максимально использовать вьщеленный для антенны габарит.
3. Определены, источники, искажения- формы широкой* ДН линейного излучателя - в поперечном сечении при измерении её на стенде с вертикальной осьювращенияиразработанаметодика испытаний, исключающаяэти-искажения.
4. Найдена оценка предельного уровня- боковых лепестков; антенной; решётки- со: случайными^ ошибками; амплитудно-фазового *■. распределения* позволяющая' с заданной достоверностью определить гарантированный; уровень боковых лепестков антенны.
Методика проектирования была отработана на Щ-волноводных излучателях и позволила.; изготавливать, их с уровнем боковых- лепестков, не превышающем минус 40 дБ..
Результаты разработки Ш-волноводных йзлучателей. использованы в разработках Испытательной лаборатории СибГУТИ, а также при формировании СибГУТИ учебных программ по электродинамике и антеннам СВЧ.
Акты внедрения результатов работы приведены в Приложении 1. 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Airborne Instruments Lab. Advertisement on Trough Waveguide [Рекламное сообщение]. — Proc. IRE. — 1956. — V. 44, №8. - P 2A.
2. Rotman W. Some New Microwave Antenna Design Based on the Trough Waveguide / W. Rotman and N. Karas // IRE Conv. Rec. - 1956. Pt.l.-P. 230.
3. Packard K.S. The Cutoff Wavelength of the Trough Waveguide / K.S. Packard // IRE Trans. Antennas Propagation MTT-6 / 1958. - V. 10. - P. 455.
4. Rotman W. Asymmetrical trough waveguide antennas / W. Rotman and A.A Oliner // IRE Trans. Antennas Propagation. - 1959. - V.7. - P. 153- 162.
5. Oliner A.A. Periodic structures in trough waveguides / A.A. Oliner and W. Rotman // IRE Trans. MTT. - 1959. - V.7. - P. 134 - 142.
6. Осипов. Л.С. Ш-образный полуоткрытый волновод / Л.С. Осипов // - Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. - 1960.
- №7. С. 13- 27.
7. Осипов. Л.С. К вопросу конструирования широкополосных переходов от коаксиальной линии к Ш-волноводу / Л.С. Осипов // - Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. - 1962.
- №6. С. 3- 12.
8. Осипов. Л.С. К теории Ш-образного полуоткрытого волновода /
Л.С. Осипов // - Вопросы радиоэлектроники. Серия
общетехническая. - 1962. - №6. С. 13-27.
і
Сканирующие антенные системы СВЧ : пер. с англ. / под ред. Г.Т. Маркова и А.Ф. Чаплина. - М. : Сов. Радио, 1969. - Т. 2. - 496 с.