Электродинамический анализ многоэлементных печатных антенных решёток и устройств пространственной, частотной и поляризационной селекции

• Автор: Касьянов, Александр Олегович
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 545 с. : ил. + Прил. (209 с.: ил.)

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Электродинамические структуры на основе многоэлементных печатных антенных решеток.

Теоретические подходы

1.1 Методы анализа и компьютерного моделирования однослойных микрополосковых антенных решеток
1.2 Методы электродинамического моделирования и перспективные применения многослойных мультипланарных микрополосковых антенных решеток

1.3 Общие постановки задач электродинамического моделирования, рассматриваемых

в диссертационной работе

1.4 Выводы
2 Электродинамическое моделирование и экспериментальное исследование микрополосковых

отражательных антенных решеток с импедансными нагрузками в виде штырей

2.1 Математическая модель однослойной микрополосковой отражательной
антенной решетки с импедансными штырями
2.1.1 Постановка задачи
2.1.2 Формулировка интегральных уравнений при построении математической модели микрополосковой отражательной антенной решетки
2.1.3 Определение напряженностей полей вспомогательных источников
2.1.4 Применение условия периодичности печатных элементов в решетке
2.1.5 Интегральное уравнение для микрополосковой решетки
с короткозамыкагощими импедансными штырями
2.1.6 Решение вспомогательных задач для микрополосково-штыревой решетки
2.1.7 Применение условия периодичности импедансных штырей в решетке
2.1.8 Интегральное уравнение относительно тока на штырях
2.1.9 Система интегральных уравнений для микрополосковой решетки
с импедансными штырями
2.2 Численная реализация решения системы интегральных уравнений
2.3 Электродинамическое моделирование многослойных мультипланарных микрополосковых решеток отражательного типа
2.4 Численное исследование математической модели микрополосково-штыревой отражательной антенной решетки
2.4.1 Определение элементов поляризационной матрицы рассеяния для микрополосковой отражательной антенной решетки
2.4.2 Численное исследование особенностей поведения токов микрополосковой отражательной антенной решетки
2.4.3 Численное моделирование микрополосковой отражательной антенной решетки с нагруженными элементами...............................!,..
2.4.4 Результаты численного исследования многослойных мультипланарных микрополосковых антенных решеток отражательного типа
2.5 Выводы

3. Математическая модель и электродинамический анализ микрополосковой фазированной
антенной решетки, возбуждаемой коаксиальными волноводами
3.1 Математическая модель плоской микрополосковой фазированной антенной решетки, возбуждаемой коаксиальными волноводами
3.1.1 Постановка задачи
3.1.2 Векторное интегральное уравнение для полей в апертурах излучающей системы микроиолосково-штыревой фазированной антенной решетки
3.1.3 Применение условия периодичности излучателей в микрополосковой сканирующей антенной решетке
3.1.4 Векторное интегральное уравнение для полей в раскрывах коаксиальных волноводов, возбуждающих излучатели микрополосковой фазированной решетке
3.1.5 Применение условия периодичности к фидерной системе микрополосковой ФАР.
3.1.6 Векторное интегральное уравнение для полей во входных сечениях отрезков фидеров системы коаксиальных волноводов, возбуждающих микрополосковую ФАР
3.1.7 Интегральное уравнение для поля на поверхности внутреннего проводника
в отрезке коаксиального волновода, возбуждающего печатный излучающий элемент
центральной ячейки микроиолосково-штыревой фазированной антенной решетки
3.1.8 Интегральное уравнение для поля на боковой поверхности, помещенного
в подложку, внутреннего проводника коаксиального волновода, возбуждающего печатный излучатель центральной ячейки микроиолосково-штыревой ФАР
3.1.9 Система N— интегральных уравнений для полей на боковых поверхностях нмпедансных штырей в магнитодиэлектрической подложке печатной ФАР
3.1.10 Представление математической модели микроиолосково-штыревой ФАР
в виде системы связанных интегральных уравнений
3.2 Численное моделирование микрополосковой фазированной антенной
решетки с коаксиальным возбуждением печатных элементов
3.3 Выводы
4 Отражательная антенная решетка комбинированных элементов
4.1 Преимущества и конструктивные особенности отражательной антенной решетки, составленной из комбинированных печатных излучателей
4.2 Математическая модель отражательной антенной решетки
комбинированных печатных излучателей
4.2.1 Постановка задачи
4.2.2 Векторное интегральное уравнение для напряженностей полей на апертурах излучающей системы печатной решетки комбинированных переизлучателей
4.2.3 Применение условия периодичности излучателей печатной отражательной решетки
4.2.4 Векторное интегральное уравнение для напряженностей полей на боковых сторонах подложек печатной решетки комбинированных излучателей
4.2.5 Представление математической модели печатной отражательной решетки с комбинированными элементами в виде системы интегральных уравнений
4.3 Результаты численного моделирования микрополосковых отражательных
антенных решеток комбинированных излучателей
4.3.1 Конструктивные особенности комбинированного печатного переизлучателя микроиолосково-штыревой отражательной антенной решетки
4.3.2 Результаты численного моделирования
4.4 Моделирование микрополосковой ФАР на основе решения дифракционных задач
4.4.1 Эффект «ослепления» микрополосковой фазированной антенной решетки
4.4.2 Методики определения углов «ослепления» микрополосковых ФАР
4.4.3 Применение математической модели микрополосковой отражательной решетки
4.4.4 Численные результаты
4.5 Выводы
5 Электродинамические модели, численное и экспериментальное исследование фазированных
решеток комбинированных печатных излучателей, возбуждаемых полосковыми волноводами
5.1 Математическая модель фазированной антенной решетки комбинированных печатных излучателей, возбуждаемой полосковыми волноводами
5.1.1 Постановка задачи
5.1.2 Векторное интегральное уравнение для касательных составляющих напряженностей полей в апертурах излучающей системы микрополосковой ФАР
5.1.3 Векторное интегральное уравнение для полей в раскрывах полосковых
волноводов, возбуждающих микрополосковые излучатели антенной решетки
5.1.4 Векторное интегральное уравнение для полей во входных поперечных сечениях отрезков полосковых волноводов, возбуждающих ФАР комбинированных МПЭ
5.1.5 Векторное интегральное уравнение для полей на поверхностях 5 " в отрезках полосковых волноводов фидерной системы ФАР из комбинированных излучателей
5.1.6 Векторное интегральное уравнение для напряженностей полей на боковых
сторонах подложек решетки продольных микрополосковых излучателей
5.1.7 Представление математической модели микрополосковой ФАР
с комбинированными излучающими элементами в системы интегральных уравнений
5.2 Численное и экспериментальное исследование характеристик согласования излучателей фазированных решеток печатных вибраторов на опорных стойках
5.2.1 Задачи численного исследования
5.2.2 Результаты численного и экспериментального исследования характеристик согласования продольного печатного излучателя вибраторной ФАР
5.2.3 Характеристики согласования антенных решеток из продольных печатных вибраторов
5.3 Численное моделирование и экспериментальное исследование микрополосковых
ФАР из продольных широкополосных излучателей
5.3.1 Исследование характеристик согласования изолированного широкополосного излучающего элемента ФАР, выполненного на основе трехслойной антенны Вивальди.
5.3.2 Численное моделирование, характеристик излучения и согласования продольного печатного излучателя фазированной решетки в виде трехслойной антенны Вивальди.
ричным полем. Поэтому математическое моделирование микрополосковых антенн и МПДС должно включать в себя раздельное описание нолей отдельных функциональных элементов. Наиболее часто эти функциональные элементы конструктивно реализуются в виде металлических штырей, которые могут быть использованы для соединения пластины с экраном, в том числе и через полупроводниковые коммутаторы или реактивные нагрузки, а также для возбуждения излучателей, если штыри являются продолжением центральных проводников коаксиальных волноводов. Ток на поверхности штырей имеет преобладающую компоненту, направленную параллельно оси штыря, которая в месте соединении штыря с пластинкой не равна нулю. Поэтому при раздельном описании полей элементов конструкции в соответствии с законом сохранения заряда в представлении поля штыря появляется поле кольцевого заряда, расположенного на конце штыря, соединяющегося с экраном [194-195]. Для улучшения сходимости процесса вычисления входного сопротивления МПА с металлическими штырями в [194] предложено вводить в распределение тока базисную функцию в виде кольца с радиальным током, на внешней границе которого ток обращается к нуль, а на внутренней — равен току штыря. Образованный на поверхности пластинки указанной базисной функцией кольцевой заряд равен по абсолютной величине и противоположен по знаку заряду штыря, В результате их поля взаимно компенсируются. В [196] для улучшения сходимости в распределении тока выделяется сингулярная часть, примыкающая к месту соединения шгыря с пластинкой. Сингулярная чаегь тока находится из решения задачи о возбуждении резонатора с магнитной стенкой. Там же показано, что индуктивная составляющая входного сопротивления при резонансе, определяемая индуктивное гыо штыря, заметно изменяется при перемещении шгыря от центра к краю пластины.
• Таким образом, математическое моделирование многоэлементных решеток наиболее целесообразно проводить в два этапа: на первом этапе разработать математическую модель исследуемой решетки в виде бесконечной периодической структуры, что позволит исследовать микрополосковые излучатели, имеющие, не только произвольную топологию, но и комбинированные печатные элементы, в том числе и с импедансными штырями, а на втором этапе с помощью метода краевых волн учесть её конечные размеры. Учет условия периодичности в математической модели в виде бесконечной решетки позволяет создавать адекватные и эффективные модели печатных элементов, входящих в состав ФАР/О АР и определяет высокую точность электродинамической модели многоэлементной решетки в целом.
1.2 Методы электродинамического моделирования и перспективные применения многослойных мультипланарных микрополосковых антенных решеток
Факторы, влияющие на диапазонные свойства МПОАР. Известно, что основным недос-