На правах рукописи

Скобелев Сергей Петрович

ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

С СЕКТОРНЫМИ ПАРЦИАЛЬНЫМИ

ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ

05.12.07

«Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2014 г.

Работа выполнена в ОАО "Радиофизика", г. Москва Гусевский Владлен Ильич,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник НТЦ «Устройства и системы дистанционного зондирования Земли» ОАО ОКБ «МЭИ».

Кравченко Виктор Филиппович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаб.

Радиофизических методов в аэрокосмических исследованиях природно-техногенной среды ФГБУН Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Литвинов Олег Станиславович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики факультета "Фундаментальные науки" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана»

Ведущая организация:

Головное системное конструкторское бюро Концерна ПВО «АлмазАнтей» им. академика А.А. Расплетина, г. Москва.

Защита состоится 31 октября 2014 г. в 10-00, на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при ФГБУН Институте радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН по адресу 125009, г. Москва, ул. Моховая 11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.cplire.ru/iso/dissertations.html ФГБУН Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН.

Автореферат разослан «_» _ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук А.А. Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Фазированные антенные решетки (ФАР) относятся к тому типу антенных устройств, которые способны обеспечивать наиболее широкие функциональные возможности радиосистем, используемых в радиолокации, связи и радиоастрономии. ФАР способны обеспечить высокий энергетический потенциал системы, быстрый обзор пространства, высокую разрешающую способность, одновременное излучение и прием для нескольких направлений, формирование диаграмм направленности (ДН) специальной формы и адаптацию к условиям работы.

Указанные возможности обеспечиваются благодаря использованию управляемых элементов, таких, как фазовращатели в пассивных ФАР, и приемо-передающие модули (ППМ) в активных ФАР. Эти элементы являются наиболее сложными и дорогостоящими составляющими ФАР, и именно они делает ФАР самыми сложными и самыми дорогостоящими антеннами по сравнению с антеннами других типов. В связи с этим, перед разработчиками ФАР всегда стоит задача оптимального проектирования, которая в основном сводится к минимизации числа управляемых элементов при обеспечении заданных требований на характеристики ФАР.

Актуальность этой задачи еще более возрастает в настоящее время, когда ФАР, традиционно используемые в оборонной области, находят все более широкое применение и в гражданских областях, бюджет которых обычно существенно меньше, чем в оборонных.

Одной из основных характеристик остронаправленных многоэлементных линейных и плоских ФАР является коэффициент усиления (КУ) в заданной области сканирования узкого луча. КУ с учетом заданных требований на уровень бокового излучения определяет площадь раскрыва, на котором размещаются элементы ФАР. Количество элементов далее зависит от подхода к их размещению в раскрыве. При проектировании ФАР с периодической сеткой размещения элементов, максимальные межэлементные расстояния, соответствующие минимальному числу элементов для выбранной площади раскрыва традиционно выбираются из условия отсутствия побочных интерференционных максимумов (дифракционных порядков) множителя решетки в области видимости при сканировании главного луча в заданной области пространства. Такой выбор является вполне оправданным, если требуется отклонение луча на большие углы от нормали к раскрыву, т.е. при широкоугольном сканировании. Однако существует целый ряд важных приложений, где от решетки требуется обеспечение высокого КУ лишь в сравнительно узком секторе углов в одной плоскости или в двух главных плоскостях. ФАР с таким узкоугольным (ограниченным) сканированием требуются и используются в радиолокационных системах (РЛС) аэропортов, аэродромов и морских портов, автомобильных РЛС для предотвращения столкновений, РЛС корабельных стрельбовых комплексов и артиллерийских батарей, в системах дистанционного зондирования земной поверхности и в системах связи со спутниками, находящимися на геостационарной и геосинхронной орбитах, откуда угловой диаметр Земли составляет всего 18°. Кроме того, быстрое электронное сканирование в узком секторе может сочетаться с механическим поворотом всей решетки, как это было реализовано в известных отечественных РЛС "Аргунь" и "Руза".

Применение традиционного подхода к выбору межэлементных расстояний при проектировании ФАР для сканирования в сравнительно узком секторе привело бы к сильной избыточности дорогостоящих управляемых элементов по сравнению с их теоретическим минимумом.

';

Последний определяется максимальными межэлементными расстояниями, обеспечивающими отсутствие побочных максимумов не во всей области видимости, как это имеет место при традиционном подходе, а лишь в заданной области сканирования. Например, число элементов для обеспечения сканирования в конической области с полным углом при вершине 20° при указанном подходе было бы в более чем в 11 раз меньше, чем при традиционном подходе. Кроме того, увеличение межэлементных расстояний по сравнению с традиционным подходом дает дополнительные преимущества при проектировании и других составляющих ФАР, таких как разводка питания, система управления и система кондиционирования.

Выбор максимальных межэлементных расстояний, соответствующих теоретическому минимуму управляемых элементов в ФАР со сравнительно узким сектором сканирования, приводит к присутствию побочных максимумов множителя решетки в области видимости. Высокий уровень побочных максимумов является нежелательным, так как приводит к снижению КУ решетки из-за отбора части излучаемой мощности из главного луча и к неоднозначности пеленгации целей. Простейший способ их подавления состоит в применении крупноапертурных излучающих элементов. Однако этот подход обеспечивает эффективное подавление максимумов только при нормальном положении главного луча. Отклонение последнего приводит к быстрому росту уровня максимумов и соответственно быстрому снижению КУ решетки в соответствии с формой диаграммы направленности (ДН) крупноапертурного элемента в решетке. Другой способ состоит в использовании нерегулярного размещения крупноапертурных элементов в раскрыве. Такое размещение позволяет эффективно рассеивать побочные максимумы и при отклонении луча, однако быстрое снижение КУ продолжает иметь место, так как мощность, которая излучалась в направления максимумов, все равно теряется, рассеиваясь в фон. Кроме того, нерегулярное размещение излучателей приводит к усложнению конструкции как излучающей части, так и системы питания излучателей.

Теоретический минимум числа управляемых элементов ФАР достигается не только лишь при максимальных межэлементных расстояниях, соответствующих ширине заданной области сканирования, но и при условии полного использования поверхности раскрыва, при котором КУ решетки пропорционален площади раскрыва, умноженной на cos, где – угол отклонения луча от нормали. Если КУ снижается быстрее, чем по указанному закону косинуса, как это имеет место при использовании крупноапертурных излучателей, то удовлетворение требований на уровень КУ в области сканирования приводит к необходимости наращивания площади раскрыва и, тем самым, – к увеличению числа управляемых элементов по сравнению с теоретическим минимумом.

Так как поведение побочных максимумов множителя решетки и главного луча решетки при сканировании определяется формой ДН элемента в решетке, идеальная амплитудная ДН элемента, соответствующая минимальному числу управляемых элементов, должна быть пропорциональна cos в заданной области сканирования и равна нулю вне заданной области, обеспечивая, тем самым, полное подавление побочных максимумов. Такие ДН называются секторными или контурными. Таким образом, актуальность задачи оптимального проектирования ФАР связано с решением задачи формирования соответствующих секторных ДН элемента в ФАР в одной или обеих главных плоскостях.

Актуальность формирования секторных ДН элемента решетки связана не только с минимизацией числа управляемых элементов в ФАР для сканирования в сравнительно узкой области. Межэлементные расстояния в ФАР миллиметрового диапазона, предназначенных для широкоугольного сканирования, должны быть достаточно малы, но плотность расположения излучателей в раскрыве ограничивается поперечными размерами существующих фазовращателей, которые могут превышать длину волны.

Подобные межэлементные расстояния могут иметь место и в некоторых типах проходных ФАР сантиметрового диапазона из-за необходимости расположения ячеек управления рядом с фазовращателями. Формирование секторных ДН элемента в этих случаях позволяет получить максимальный КУ в максимально широкой области сканирования, соответствующей заданным межэлементным расстояниям.

Актуальность формирования секторных ДН элемента решетки связана еще и с тем, что решетки с такими ДН могут использоваться в качестве облучателей в зеркальных и линзовых антеннах. Секторные ДН в этих случаях обеспечивают высокую эффективность облучаемого зеркала или линзы при минимальных потерях на перелив мощности за края антенны.

Наконец, некоторые подходы к формированию секторных ДН элементов в ФАР могут быть применены и при проектировании несканирующих антенн с секторными и контурными ДН вообще, которые находят важные применения в системах связи с контурными зонами обслуживания и в системах передачи энергии посредством СВЧ-луча.

Спецификой секторных и контурных ДН элемента является то, что они не могут быть сформированы распределением поля только по одному периоду (ячейке) решетки. Строго говоря, соответствующее распределение должно занимать весь раскрыв решетки и, тем самым, – охватывать все ячейки последней. Таким образом, секторная ДН элемента, соответствующая возбуждению одного управляемого входа решетки, представляет собой ДН всей решетки при указанном парциальном возбуждении. Поэтому ДН элемента в решетке также называется парциальной ДН (ПДН) решетки. Так как распределения, соответствующие возбуждению отдельных управляемых входов решетки перекрываются, то решетку можно считать построенной из перекрывающихся подрешеток, каждая из которых формирует секторную или контурную ДН. Обзор предыдущих работ по исследованию некоторых подходов к созданию ФАР с перекрывающимися подрешетками, формирующими секторный ДН, имеется в справочнике R. J. Mailloux "Phased Array Antenna Handbook", Norwood: Artech House, 1994. Эти работы в основном ограничиваются созданием разветвленных схем питания излучающих элементов на одномодовых линиях передачи. Однако возможности формирования секторных ПДН далеко не исчерпаны как в рамках указанного схемного подхода, так и при исследовании других подходов, включая использование связанных двухмодовых линий передачи, квазиоптических методов, ребристых структур в раскрыве, обеспечивающих необходимую связь между элементами, и сильно взаимодействующих антенных элементов продольного типа. Исследование указанных возможностей может быть эффективно осуществлено с использованием адекватных математических моделей. Таким образом создание таких моделей, позволяющих проводить численный анализ и оптимизацию излучающих структур, способных в принципе формировать секторные и контурные парциальные ДН, также является актуальной задачей.

Объект исследования – электромагнитные поля, возбуждаемые и рассеиваемые в периодических излучающих структурах ФАР с элементами, связанными для образования перекрывающихся подрешеток.

Предмет исследования – Математические и физические модели периодических излучающих структур с перекрывающимися подрешетками для формирования секторных и контурных диаграмм направленности.

Цель исследования – дальнейшее развитие теории ФАР, включая формулировку фундаментальных ограничений в них, разработку методов формирования перекрывающихся подрешеток с секторными и контурными ДН в излучающих структурах ФАР и разработку математических моделей для эффективного численного анализа и оптимизации структур с указанными подрешетками.

Задачи исследования:

1. Выявление свойств идеальных характеристик ФАР, таких как идеальная ДН элемента в решетке, эффективность идеального элемента в решетке, КУ на контуре идеальной ДН.

2. Выявление новых возможностей по формированию подрешеток с секторными ДН в рамках схемного метода (проходного многополюсника).

3. Выяснение возможностей использования связанных двухмодовых линий передачи для формирования секторных ДН элемента решетки.

4. Выяснение возможностей применения ребристых структур в раскрыве решетки для формирования перекрывающихся подрешеток с секторными ДН.

5. Выяснение возможностей элементов продольного излучения типа диэлектрических стержней, ребристых стержней и вибраторных директорных антенн по формированию секторных и контурных ДН элемента ФАР.

Методы исследования – аппарат теории антенн и математической физики, включая методы интегральных уравнений, проекционные методы, метод конечных элементов, метод факторизации, методы численного решения систем линейных алгебраических уравнений, численные методы поиска экстремумов целевых функций, а также экспериментальные методы антенных измерений.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложено определение идеальной контурной и секторной ДН элемента решетки, включая формулировку требований к области, занимаемой диаграммой в пространстве направляющих косинусов. Показано, что если указанная область полностью лежит в области видимости, то ДН различных элементов являются ортогональными.

2. В рамках схемного метода предложена и исследована новая многокаскадная "шахматная" схема формирования перекрывающихся подрешеток с секторными ДН, имеющая определенные преимущества перед известными схемами. Предложены и исследованы ее квазиоптические аналоги, позволяющие формировать узкие секторные парциальные ДН в решетках крупноапертурных зеркальных или линзовых излучающих элементов.

3. Предложен новый подход к формированию секторных ДН элемента с использованием решеток двухмодовых волноводов с простыми щелевыми связями, позволяющими упростить конструкцию по сравнению с известным аналогом. Разработаны математические модели таких решеток, с использованием которых получены новые результаты по формированию секторных ДН. Получены также новые экспериментальные результаты с использованием макета, спроектированного согласно теоретической модели.

4. Предложен новый подход к формированию секторных ДН элемента на основе использования пассивных реактивно нагруженных излучателей в виде ребристых структур в раскрыве решетки, разработаны математические модели таких решеток и получены новые расчетные и экспериментальные результаты по формированию секторных ДН.

5. Разработаны новые эффективные гибридные проекционные методы численного анализа решеток волноводов с выступающими диэлектрическими элементами, использующие меньшее число наборов неизвестных коэффициентов разложения полей по сравнению с ранее разработанными версиями, и получены новые результаты по формированию секторных и контурных ДН элемента в решетках указанного типа.

6. Предложен новый подход к формированию секторных ДН элемента, основанный на использование ребристых стержневых элементов.

Разработаны математические модели для анализа и оптимизации решеток с такими элементами и получены новые расчетные и экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенного подхода.

7. Разработана математическая модель вибраторных решеток с директорными элементами для формирования секторных ДН элемента в одной плоскости. Предложено обобщение одного известного метода эффективного вычисления функции Грина прямоугольного волновода для расчета функции Грина периодических структур, использованной при численном решении задачи. Получены новые расчетные результаты, характеризующие возможности директорных элементов по формированию секторных ДН в одной плоскости.

Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Новые результаты по формированию секторных и контурных ДН элемента в решетке, полученные как в рамках известных подходов, так и в рамках новых подходов позволяют проектировать ФАР с различными типами излучающих элементов при близком к минимальному числу дорогостоящих управляемых элементов для заданного КУ в заданной области сканирования.

2. Разработанные алгоритмы и соответствующие компьютерные программы позволяют эффективно проводить численное моделирование излучающих структур ФАР связанных двухмодовых волноводов, ребристых структур, выступающих диэлектрических элементов, ребристых стержней и их двумерных аналогов, а также директорных антенных элементов, и тем самым обеспечивать их эффективное проектирование.

Результаты диссертационной работы были получены и использованы при выполнении госбюджетных НИР "Багор" (ФАР с ребристыми структурами), "Лама" (волноводные ФАР с выступающими диэлектрическими элементами) и "Моренос" (ФАР с ребристо-стержневыми элементами), проводимых в ОАО "Радиофизика", а также коммерческих НИР и ОКР, проводимых ЗАО "Апекс" (дочернее предприятие ОАО "Радиофизика") при проектировании ФАР с диэлектрическими и ребристостержневыми элементами. По результатам диссертационной работы получены 7 авторских свидетельств на изобретение.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются строгой постановкой граничных задач, согласованностью с известными положениями макроскопической электродинамики и теории антенн, сходимостью численных результатов, сравнением численных результатов, полученных разработанными методами, с результатами, имеющимися в литературе для некоторых частных случаев, и сравнением результатов расчетов с данными измерений характеристик соответствующих макетных образцов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Определение идеальной контурной и секторной ДН элемента в решетке, как ДН, имеющую максимально высокий уровень в максимально широкой области сканирования при заданных периодах решетки, и ее свойства, касающиеся формы контура и уровня на контуре, а также свойства ортогональности.

2. Многокаскадная "шахматная" схема возбуждения перекрывающихся подрешеток, формирующих секторные ДН, волноводный макет ее однокаскадного варианта, квазиоптические аналоги однокаскадной "шахматной" схемы, расчетные и измеренные характеристики ФАР с указанной схемой.

3. Метод формирования секторных ДН элемента в решетке на основе двухмодовых волноводов с щелевыми связями, математические модели, полученные геометрические параметры, волноводный макет решетки, а также расчетные и измеренные характеристики решеток такого типа.

4. Метод формирования секторных ДН элемента в решетке путем использования реактивно нагруженных излучателей в виде ребристых структур, математические модели и макет решеток такого типа, а также рассчитанные геометрические и радиотехнические параметры, характеризующие возможности метода, и измеренные ДН макета.

5. Гибридные проекционные методы численного анализа решеток волноводов с выступающими диэлектрическими элементами, математические модели решеток указанного типа и численные результаты, характеризующие применение выступающих диэлектрических элементов для формирования секторных и контурных парциальных ДН.

6. Метод формирования секторных ДН элемента в решетке на основе элементов в виде ребристых стержней и их аналогов, двумерные и трехмерные математические модели для анализа и оптимизации таких решеток, макет, а также численные и экспериментальные результаты, характеризующие эффективность применения указанных элементов.

7. Метод формирования секторных ДН элемента в решетке на основе использования элементов в виде директорных антенн, математическая модель решеток указанного типа, обобщение известного метода эффективного вычисления функции Грина прямоугольного волновода на функцию Грина периодических структур, использованную в модели, а также численные результаты, характеризующие возможности формирования секторных ДН элемента в решетках указанного типа.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 10 отечественных конференциях и симпозиумах (работы соискателя [49–61]) и международных конференциях и симпозиумах (работы соискателя [62–86]).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в публикациях, включая 27 статей в отечественных журналах, входящих в перечень ВАК, 2 статьи в других отечественных журналах, 7 авторских свидетельств на изобретение, 12 статей в международных журналах, статей и тезисов в трудах отечественных конференций и симпозиумов, статей в трудах международных конференций и симпозиумов и монографии (одна из которых опубликована на русском языке, а вторая – ее англоязычная версия, выпущенная издательством "Артек Хаус" (Artech House), г. Норвуд, США).

Личный вклад автора. Соискатель лично опубликовал 39 работ, включая 22 журнальные статьи, 1 авторское свидетельство на изобретение, 14 статей в трудах конференций и симпозиумов и 2 монографии. В остальных работах, опубликованных с соавторами, вклад соискателя в постановку и решение задач, разработку компьютерных программ, проведение расчетов, анализ полученных результатов и написание текста статей в части, относящейся к теме диссертации, является основным.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, введения, 6 глав, содержащих 8 приложений, заключения и списка литературы. Работа содержит 349 страниц, 120 рисунков и 3 таблицы.

Список литературы включает 298 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В предисловии с благодарностью упоминаются коллеги автора по работе в ОАО "Радиофизика" и другие специалисты как в России, так и за рубежом, с которыми автор взаимодействовал при выполнении диссертационной работы и представлении ее результатов.

Во введении приведен обзор опубликованных книг по ФАР вообще и статей по вопросам, связанным с темой диссертации, обоснована актуальность работы и дано краткое содержание каждой главы диссертации с указанием новых полученных результатов.

Первая глава диссертации содержит основные фундаментальные соотношения и ограничения для ФАР, полученные с использованием общей теории антенн, примененной к периодическим структурам, используемым в качестве теоретических моделей больших линейных и плоских многоэлементных ФАР.

Основное внимание уделяется векторной комплексной ДН элемента в решетке F(,). Раскрыв решетки предполагается расположенным в плоскости, параллельной плоскости z=0 прямоугольной декартовой системы координат 0xyz, а углы и отмеряются от осей z и x соответственно. В разделе 1.2.2 показано, что если электромагнитное поле излучения решетки, соответствующее подаче мощности Pin на один вход решетки записать в форме E(r,,)=F(,)eikr/r и H(r,,)=[erE(r,,)]/0, где r – расстояние от начала координат до точки наблюдения в дальней зоне, k=2/ – волновое число, – длина волны, er – единичный вектор, направленный в точку наблюдения, и 0 – волновое сопротивление для свободного пространства, то КУ элемента в решетке определяется как g(,)=2|F(,)|2/(Pin0).

В идеальном случае требуется, чтобы вся мощность, подаваемая на входы решетки, излучалась в направление главного луча, сканирующего в заданной области. Этому случаю соответствуют идеальные характеристики элемента решетки: идеальная ДН, идеальный КУ и идеальная эффективность (к.п.д.). При квазипериодическом возбуждении периодической структуры, моделирующей ФАР, указанному идеальному случаю соответствует концентрация всей подводимой мощности в пространственных гармониках нулевого порядка, распространяющихся в направлении главного луча.

Интегрирование плотности потока мощности через плоскую поверхность, параллельную раскрыву, приходящую на одну ячейку структуры, и приравнивание результата к мощности, подводимой к одному входу, дает соотношение (1/2)(|T100|2+|T200|2)0k2cos=Pin, где T100 и T200 – амплитуды ТЕ и ТМ гармоник нулевого порядка. Это соотношение, а также выведенные соотношения F=–(ik20/(2))(dxdy)1/2T200cos и F=(ik20/(2))(dxdy)1/2T100cos, где dx – расстояние между соседними элементами в строке и dy – расстояние между соседними строками, позволяет получить ДН элемента по мощности в Pid(,)=|Fid(,)|2/(20)=Pin(dxdy/2)cos.

амплитудная ДН элемента определяется из ДН по мощности формулой где p(,) – единичный вектор, характеризующий поляризацию. Подстановка (1) в приведенную выше формулу для КУ элемента дает известное выражение gid(,)=4(dxdy/2)cos для идеального КУ элемента решетки.

При достаточно малых межэлементных расстояниях, например, dx=dy2/3 для гексагональной сетки, то, кроме главного максимума, в области видимости могут присутствовать побочные максимумы.

Однолучевое сканирование, которое всегда желательно осуществлять в максимально широкой области, соответствующей заданным межэлементным расстояниям, в этом случае может быть обеспечено, если побочные максимумы подавляются ДН элемента решетки, которая должна быть равна нулю в области перемещения побочных максимумов. Таким образом, наряду с максимальным уровнем (1), определение идеальной ДН элемента включает понятие максимальной области сканирования. Площадь области в пространстве направляющих косинусов u=sin cos и v=sin sin при условии, что полностью находится внутри единичного круга, равна S=2/(dxdy), так как именно эта площадь приходится на каждый интерференционный максимум.

Форма контура, ограничивающего область сканирования может быть произвольной и область может быть даже многосвязной при выполнении следующего условия: мысленное перемещение этой области по узлам сетки интерференционных максимумов должно быть обеспечено без зазоров и перекрытий. Простейшая форма области – прямоугольник размером (/dx)(/dy). Примеры более сложных форм контура области для решеток с прямоугольной и гексагональной сетками приведены на рис. 1 и 2.

Одним из свойств контура идеальной ДН элемента является то, что если главный луч попадает на контур, то в другом месте контура должен появиться по крайней мере один побочный максимум. В этих случаях КУ элемента должен быть скорректирован путем умножения на коэффициент =/(2), выведенный в приложении 1.1, где – угол, под которым область сканирования (или ее часть) видна из точки расположения главного луча.

Как показано в разделе 1.3.4, эффективность элемента в решетке, определяемая отношением излученной мощности к подводимой мощности, в идеальном случае определяется формулой e=S/[2/(dxdy)], которая показывает, что в случае идеальной контурной ДН, полностью лежащей в области видимости, e=1 или 100%. Если межэлементные расстояния достаточно малы, так, что областью однолучевого сканирования является вся область видимости, то S= и мы получаем известное выражение e=dxdy/2.

В работе показано, что в промежуточных случаях идеальная эффективность элемента зависит от формы идеальной области сканирования, что не было отмечено в предыдущих работах других авторов.

В разделе 1.3.5 показано, что идеальная контурная ДН управляемого элемента, соответствующая его 100%-й эффективности, может быть в принципе сформирована бесконечной подрешеткой плотно расположенных идеальных излучателей, хотя каждый такой излучатель, возбуждаемый в подрешетке отдельно имеет низкую эффективность, соответствующую наличию обратных взаимных связей.

В разделе 1.3.6 рассмотрены свойства ортогональности идеальных контурных ДН, соответствующих различным элементам решетки. Пусть Fid (, ) Fid (, ) exp[ ik ( xmn u yn v )] – идеальная ДН mn-го элемента с учетом его положения в решетке. Рассмотрим скалярное произведение ДН mn-го и m'n'-го элементов в форме При m'=m и n'=n интеграл в (2) просто равен S=2/(dxdy). Если входы (элементы) разные, то интеграл равен нулю, что следует из периодичности подынтегральной функции. Таким образом Fid, Fid n P in mm nn, что соответствует ортогональности идеальных контурных ДН элементов.

Аналогично доказана ортогональность амплитудных распределений поля в раскрыве, соответствующих идеальным контурным ДН. Связь между ДН и распределениями в раскрыве, установленная в работе, позволила построить методику определения размеров и формы плоского раскрыва, обеспечивающих формирование ортогональных лучей по заданной регулярной декартовой сетке их расположения.

В разделе 1.6 рассмотрены двумерные случаи, когда геометрия структуры и поля не зависят от одной из координат, в частности от y.

Показано, что если составляющая электрического поля в дальней зоне представлена в виде Ey(,)=(k/)1/2ei(k–/4)F1() для Е-поляризации и соответствующая возбуждению одного входа решетки сигналом мощности Pin, приходящейся на единицу длины вдоль y, то идеальная ДН элемента определяется формулой Fid ( ) (0 Pin b cos / )1/ 2, где b – период решетки вдоль оси x, справедливой для обеих поляризаций. Если b>/2, идеальная ДН элемента является секторной ДН шириной /b по координате sin. Идеальная ДН может также иметь несколько секторов суммарной ширины /b.

Результаты, приведенные в первой главе, опубликованы в статьях соискателя [20, 21, 25–27, 46, 47, 60, 79, 84, 85].

Вторая глава диссертации посвящена развитию схемного метода формирования перекрывающихся подрешеток с секторными ДН. Метод состоит в том, что между фазовращателями и излучателями ФАР располагается пассивный проходной многополюсник, через который каждый управляемый вход решетки подключается к излучателям, соответствующим не только выбранному входу, но и как минимум, – соседним входам.

Основные результаты этой главы получены при исследования предложенной в работе новой так называемой "шахматной" схемы, показанной на рис. 3. Решетка с указанной схемой представляет собой модульную структуру с периодом a, каждый модуль которой содержит два излучателя, тип которых может быть произвольным. Излучатели возбуждаются через симметричные двухканальные делители мощности и в общем случае N1 каскадов направленных ответвителей. Длины передающих линий, находящихся на одном уровне, считаются одинаковыми. При возбуждении каждого входа в решетке формируются перекрывающиеся амплитудные распределения (подрешетки), охватывающие 2N+1 модуль.

Анализ, проведенный в разделе 2.2.1, показал, что множитель подрешетки определяется формулой M(q,U)=Al(U)eiU/4+Ar(U)e–iU/4, где q=(q1,q2,...,q2N) – вектор амплитудных коэффициентов связи между перекрестными входами ответвителей, а Al(U) и Ar(U) – комплексные амплитуды сигналов в левом и правом излучателях решетки при квазипериодическом возбуждении последней с фазовым набегом U=kasin, определяемые с использованием соответствующих матриц рассеяния делителей и ответвителей.

Используя соотношения |Al(U)|2+|Ar(U)|2=(Ai)2, Al(2–U)=Al(–U)=Ar(U) и Ar(2–U)=Ar(–U)=Al(U), следующие из закона сохранения энергии, а также из периодичности и симметрии решетки, где Ai – амплитуда сигнала на входе модуля, получим соотношение |M(q,U)|2+|M(q,2–U)|2=2(Ai)2, позволяющее ставить задачу синтеза как задачу поиска таких значений параметров qn, при которых целевая функция принимает максимальное значение. Решение поставленной задачи автоматически обеспечивает минимизацию мощности, излучаемой в область