НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Дубровка Федір Федорович

УДК 621.396.777

ПОЛЯРИЗАЦІЙНО-АДАПТИВНІ АНТЕННІ СИСТЕМИ

05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі теоретичних основ радіотехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шифрін Яків Соломонович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

професор-консультант;

доктор фізико-математичних наук, професор Войтович Микола Миколайович,

Інститут прикладних проблем механіки і математики НАН України (м. Львів),

завідувач відділу числових методів математичної фізики;

доктор технічних наук, професор

Мачуський Євген Андрійович,

Національний технічний університет України “КПІ”, завідувач кафедри.

Провідна установа: Науково-виробниче об’єднання “Сатурн”, м. Київ

Захист відбудеться “ 6 ” червня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої Ради Д 26.002.14 Національного технічного університету України “КПІ” (03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус 1, ауд. 271а )

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці НТУУ “КПІ” (03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37)

Автореферат розісланий “ 30 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Ради Л.О. Уривський

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

ПААС –– поляризаційно-адаптивні антенні системи; РЕЗ –– радіоелектронні засоби; АР –– антенна решітка; ДА –– дводзеркальна антена; ПП –– перетворювач поляризації; ЕМХ –– електромагнітна хвиля; ЛС –– лінотропне середовище; ДФЗ –– диференціальний фазовий зсув; ОМП –– ортомодовий перетворювач; АВП –– апріорно вибрана поляризація; ДВ –– діаграма випромінювання; КПВ –– кросполяризаційне випромінювання; МЧО –– метод часткових областей; УМР –– узагальнена матриця розсіювання; СЛАР –– система лінійних алгебраїчних рівнянь.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Головним напрямком розвитку антенної техніки в наш час є створення антен з обробленням сигналу, зокрема, адаптивних антенних систем, у тому числі з поляризаційною просторово-часовою фільтрацією. Інформація про поляризацію радіосигналу може бути використана для: збільшення інформаційної ємності і підвищення ефективності мікрохвильових інформаційно-комунікаційних мереж за рахунок поляризаційного ущільнення каналів і поляризаційної адаптації; розширення можливостей метеорологічних РЛС (виявлення переохолоджених водяних крапель для забезпечення безпеки польотів літаків, ідентифікації типів метеорів, оцінки інтенсивності дощу, моделювання ліній радіозв’язку для прогнозування ослаблення сигналів, тощо); підвищення ефективності мікрохвильової інформаційної діагностики і терапії; поляризаційної ідентифікації і класифікації об’єктів; поляризаційної фільтрації навмисних пасивних перешкод (штучних дипольних відбивачів) та стаціонарних перешкод від дощових опадів; цілей радіоелектронного захисту від навмисних активних перешкод; створення якісно нових високоефективних систем радіотехнічної розвідки та радіопротидії. Тому поєднання спектральної та поляризаційної оброблень сигналів можна вважати стратегічним напрямком розвитку РЕЗ різного призначення.

У більшості випадків робота РЕЗ приймання, передавання та руйнування інформації здійснюється в умовах апріорної невизначеності поляризацій радіосигналів, що приймаються. Тому ці засоби повинні адаптуватися до будь-якої детермінованої поляризації і формувати сигнали у відповідь на необхідній поляризації. Аналіз відомих технічних рішень для поляризаційної адаптації антенних систем свідчить про те, що в умовах апріорної невизначеності поляризацій радіосигналів, що приймаються, вони не забезпечують необхідної точності ортогоналізації або узгодження поляризації випромінюваних сигналів по відношенню до поляризації сигналів, що приймаються. Причина полягає в тому, що в них використовується двоканальне оброблення (підсилення і формування) сигналів, з якою пов’язані непереборні труднощі забезпечення ідентичностей амплітудно-частотних та фазочастотних характеристик двох каналів у широкій смузі частот та (або) великому динамічному діапазоні вхідних сигналів. Для вирішення проблеми точної поляризаційної адаптації антенних систем необхідно створити узагальнену теорію поляризаційних перетворень ЕМХ ЛС і запропонувати нові принципи, методи, способи та системи точного адаптивного перетворення (ортогоналізації або узгодження) поляризаційних структур радіосигналів в умовах їх апріорної невизначеності, які б грунтувалися на цій теорії та одноканальному обробленні прийнятих і випромінюваних радіосигналів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з програмами Міністерства радіопромисловості СРСР, науковими планами НТУУ “КПІ” та Державними замовленнями України на науково-технічну продукцію, зокрема: НДДКР “Розроблення новітніх супутникових систем зв’язку та радіотехнічних систем різного призначення на основі поєднання спектральної та поляризаційної оброблень радіосигналів” (Держзамовлення України, шифр 7.93.18, № Держреєстрації 0199U000321) та НДДКР “Розроблення та впровадження керованих поляризаційно-інваріантних приймально-передавальних антенних систем для багатофункційних терміналів супутникових інформаційних систем нового покоління (Держзамовлення України, шифр 7.99.12, № Держреєстрації 0199U002835), які виконані на кафедрі теоретичних основ радіотехніки НТУУ “КПІ”. Участь автора у виконаних за цими програмами та планами 11 НДР та НДДКР –– науковий керівник.

Метою дисертаційної роботи є розроблення узагальненої теорії адаптивних поляризаційних перетворень електромагнітних хвиль та вирішення на її основі проблеми створення високоточних ПААС РЕЗ приймання, передавання та руйнування інформації в умовах апріорної невизначеності поляризацій радіосигналів, що приймаються.

Досягнення цієї мети передбачає вирішення таких основних задач:

1.

2.

3.

4.

5.

Таким чином, об’єктом дослідження є РЕЗ приймання, передавання та руйнування інформації з керованою поляризацією. Предметом дослідження є ПААС, здатні забезпечити високу точність адаптивного узгодження або ортогоналізації поляризацій прийнятих і випромінюваних радіосигналів і на цій основі кардинально підвищити ефективність та розширити функційні можливості новітніх РЕЗ різного призначення.

Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач у роботі використані математичні апарати подвійної комплексної площини, теорії лінійних кіл, функцій Гріна, метод геометричної оптики, метод фізичної оптики, метод розкладання полів на сферичні хвилі, метод перетворення Фур’є, метод Кірхгофа-Гюйгенса, метод узагальнених матриць розсіювання, методи теорії періодичних структур, метод інтегральних рівнянь, метод Гальоркіна, матричний метод узгодження полів власних хвиль, варіаційний метод, МЧО (метод Трефтца).

Наукова новизна визначається наступними отриманими оригінальними результатами:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено наукові основи та шляхи інженерної реалізації ПААС, які забезпечують високу точність автоматичної ортогоналізації або узгодження поляризацій випромінюваних радіосигналів відносно будь-якої поляризації прийнятого радіосигналу незалежно від напрямку приймання, кренів носіїв системи і характеристик обтічників антен. Усі дестабілізуючі фактори автоматично враховуються у процесі адаптивного перетворення (ортогоналізації або узгодження) поляризацій і не впливають на його точність.

2. Розроблено наукові основи проектування та оптимізації характеристик поляризаційно-інваріантних площинно-всеспрямованих ДА, кільце-стержневих, дискостержневих, дискотрубчастих, коаксіально-рупорних і хвилевідно-рупорних антен та АР на їх основі, а також ОМП та секцій ДФЗ. Вони можуть бути безпосередньо використані при машинному проектуванні і оптимізації поляризаційно-інваріантних антен з низькими рівнями КПВ, ОМП у різних поляризаційних базисах та ПП.

3. Розроблено високоефективний метод дифракційного синтезу нових ДА, а також методику синтезу опромінюючих систем для гостроспрямованих вісесиметричних ДА при заданому профілі головного дзеркала, що враховує ефекти ближньої зони опромінювача та контррефлектора. Їх застосування дозволяє зберегти наявну технологію виготовлення головних дзеркал при виробництві нових антен, а також модернізувати існуючі ДА у відповідності до сучасних вимог до антен земних станцій супутникових інформаційних систем нового покоління без заміни головного дзеркала.

4.

5.

Особистий внесок здобувача в роботи, виконані у співавторстві, полягає в виборі, обгрунтуванні і постановці задач теоретичного і експериментального досліджень, які випливають із створеної на нових ідеях теорії поляризаційних перетворень ЕМХ ЛС; провідній участі у розробці фізичних та математичних моделей ключових елементів ПААС і обчислювальних алгоритмів на їх основі; участі у створенні програм розрахунку антенно-хвилевідних пристроїв у відповідності з розробленими алгоритмами; науковій оцінці одержаних результатів; у формулюванні висновків і рекомендацій щодо практичного застосування одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались і обговорювались на: International Conference on Antenna Theory and Techniques, 1995, 1997, 1999; ITG Conference, Munchen, Germany, 1998; International Symposium URSI on Electromagnetic Theory, St.Peterburg, Russia, 1995; XXII (1981), xxiii (1983), xxiv (1985), xxy (1987), XXYI (1990) Межведомственных конференциях по теории и технике антенн; XXY URSI General Assembly, Toronto, Canada, 1999; Міжнародній конференції “Mathematical Methods in Electromagnetic Theory”, 1994, 1996, 1998; VII International Conference on Antennas and Propagation, Warwick, UK, 1989; Всесоюзному семінарі “Математическое моделирование физических процессов в антенно-фидерных трактах”, Саратов, 1990; Первой Всесоюзной научно-технической конференции “Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения”, Свердловск, 1989; Научно-техническом семинаре “Решение внутренних задач электродинамики”, Ростов-на-Дону, 1984; 13-th European Conference on MTT, Helsinki, 1982; I Всесоюзной конференции ученых и специалистов “Перспективные СВЧ-устройства и радиоэлектронные системы”, Дилижан, 1988.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 50 наукових праць, у тому числі монографія [1], 26 статей у науково-технічних журналах [2-27], 4 авторські свідоцтва [28-31], 3 патенти на винаходи [32-34], 16 статей і тез у збірниках праць конференцій [35-50].

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, висновків та додатків. Її обсяг складає --380 сторінок. Всього в дисертації 144 рисунки (49 окремих сторінок), 23 таблиці (2 окремі сторінки). Список використаних джерел нараховує 161 найменування (14 сторінок). У додатках наведені акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету досліджень, обгрунтовано коло задач для досягнення мети, визначено наукову новизну проведених досліджень і їх практичне значення, приведено відомості про апробацію роботи і структуру дисертації.

У розділі 1 проведено аналіз сучасного стану розвитку ПААС. Визначено недоліки існуючих двоканальних систем поляризаційної адаптації та оброблення радіосигналів. Обгрунтовано вибір ключових елементів ПААС.

Проведено огляд існуючих методів оптимізаційного синтезу антенних систем. Зроблено критичну оцінку розглянутих методів за ймовірністю знаходження глобального екстремума, складністю алгоритмів та витратами машинного часу. Обгрунтовано необхідність пошуку нових універсальних швидкозбіжних і надійних методів оптимізаційного синтезу.

Проведено огляд конструкцій, математичних моделей і досягнутих результатів в теоретичних та експериментальних дослідженнях вибраних ключових елементів ПААС. Обгрунтовано вибір методів електродинамічного аналізу високоякісних гостроспрямованих вісесиметричних та офсетних ДА, всеспрямованих по азимуту ДА, опромінювачів ДА та ПП.

У розділі 2 викладено створену узагальнену теорію поляризаційних перетворень ЕМХ ЛС. Основою цієї теорії є теорема:

Будь-які віртуальні поляризаційні перетворення повністю поляризованої плоскої електромагнітної хвилі лінотропним середовищем визначаються системою рівнянь

;

, (1)

Сформульовану теорему доведено з використанням математичного апарату подвійної комплексної площини. Визначено умови однозначності розв’язку системи (1).

Запропоновано засновані на цій ідеї принципи, методи і способи точної адаптивної ортогоналізації або узгодження довільних поляризацій радіосигналів, що випромінюються і приймаються, в умовах відсутності апріорної інформації про іхню поляризацію.

Принцип ідеальної адаптивної ортогоналізації апріорно невідомої довільної поляризації ЕМХ: апріорно невідома довільна поляризація ЕМХ зміниться на ортогональну, якщо перетворити її за допомогою взаємного середовища з керованою поперечною анізотропією в апріорно вибрану, ортогоналізувати АВП і забезпечити проходження перетвореної хвилі через те ж або ідентичне середовище.

Принцип ідеального адаптивного узгодження апріорно невідомої довільної поляризації ЕМХ: апріорно невідома довільна поляризація ЕМХ не зміниться, якщо перетворити її за допомогою взаємного середовища з керованою поперечною анізотропією в апріорно вибрану і забезпечити проходження перетвореної хвилі через те ж або ідентичне середовище.

Ці принципи є універсальними, тому що вони базуються на фундаментальному фізичному принципі взаємності і створеній узагальненій теорії поляризаційних перетворень ЕМХ ЛС. На основі цих принципів запропоновано нові ефективні методи точної адаптивної ортогоналізації і точного адаптивного узгодження поляризацій радіосигналів, що випромінюються і приймаються, в умовах відсутності апріорної інформації про істинну поляризацію радіосигналів, що приймаються. Запропоновано також важливий для практики метод оптимальної поляризаційної адаптації одноканальних радіосистем приймання інформації в умовах апріорної невизначеності поляризацій радіосигналів, що приймаються: для досягнення максимального відношення сигнал/шум при прийманні радіосигналів із довільною апріорно невідомою поляризацією за допомогою приймальної системи з АВП необхідно і достатньо спочатку підсилити поляризаційно-інваріантним малошумлячим підсилювачем прийнятий радіосигнал, а потім перетворити поляризацію цього радіосигналу в апріорно вибрану, що співпадає з поляризацією одноканальної приймальної радіосистеми, у якій здійснюється подальше оброблення і підсилення прийнятого сигналу.

Запропоновані методи адаптивної ортогоналізації або узгодження поляризацій радіосигналів, що випромінюються і приймаються, можуть бути практично реалізовані різними способами. Наведемо один з них.

Спосіб адаптивного перетворення (ортогоналізації або узгодження) поляризації ЕМХ включає: прийом ЕМХ; перетворення поляризації прийнятої ЕМХ за допомогою першого керованого ПП; поділ ЕМХ із перетвореною поляризацією на ортогонально поляризовані компоненти у вибраному поляризаційному базисі, який у загальному випадку може змінюватися в робочому діапазоні частот і при зміні зовнішніх умов; підсилення апріорно вибраної компоненти ЕМХ у зазначеному поляризаційному базисі і формування з неї скалярного робочого радіосигналу; збудження за допомогою цього радіосигналу ЕМХ з поляризацією, певним чином зв’язаною з поляризацією апріорно вибраної компоненти (ортогональною або узгодженою); перетворення зазначеної збудженої ЕМХ за допомогою другого керованого ПП, ідентичного першому і узгодженого з ним керованого; керування першим і другим ПП за допомогою двох ортогонально поляризованих компонент ЕМХ до досягнення максимального рівня компоненти прийнятої ЕМХ із поляризацією, що збігається з АВП, і мінімального рівня компоненти прийнятої ЕМХ із поляризацією, ортогональною АВП; випромінювання ЕМХ із перетвореною зазначеним способом поляризацією.

У розділі 3 викладено принципово новий ітераційний метод синтезу фізичних систем. Для реалізації методу необхідно мати наближену та строгу математичні моделі фізичної системи (або експеримент у випадку відсутності строгої математичної моделі). Безпосередньо синтез системи здійснюється за наближеною математичною моделлю. Строга модель (або експеримент) використовується для розрахунку (вимірюваня) характеристик синтезованої фізичної системи. Особливістю методу, яка робить його унікальним і надзвичайно швидкозбіжним, є належна модифікація потрібних характеристик фізичної системи на кожній ітерації, а саме: -а модифікована потрібна характеристика фізичної системи відрізняється від -ої істинної потрібної характеристики на величину, рівну різниці отриманої на даній ітерації і потрібної характеристик, взятої із знаком мінус. Це означає, що наскільки відрізняється -а одержана характеристика синтезованої фізичної системи на даній ітерації від -ї потрібної характеристики, настільки відрізняється, але з протилежним знаком, модифікована потрібна характеристика від потрібної для синтезу на наступній ітерації. Внаслідок цього уже на другій ітерації коректно враховується похибка наближеного синтезу і ітераційний процес є надзвичайно швидкозбіжним та потребує мінімальних, по відношенню до відомих методів, обчислювальних ресурсів.

Завдяки універсальності і швидкій збіжності цей метод може знайти широке застосування на практиці для синтезу різноманітних фізичних об’єктів і систем у різних областях науки і техніки, в тому числі, для синтезу антен та мікрохвильових пристроїв.

Запропоновано і розроблено наближені методи аналітичного синтезу мікрохвильових фазозсувачів та ПП з максимально плоскою фазочастотною характеристикою, побудованих на основі недисипативних неоднорідностей в лініях передач та відрізків періодичних структур. У результаті одержано системи рівнянь, які визначають єдині оптимальні значення провідностей фазозсувних елементів, середньої відносної довжини хвилі та відстаней між фазозсувними елементами, при яких КСХН=1, внесений фазовий зсув дорівнює заданому і має місце мінімальне відхилення внесеного фазового зсуву у смузі частот

У розділі 4 викладено результати математичного моделювання та теоретичного дослідження гостроспрямованих і площинно-всеспрямованих ДА, коаксіально-рупорних випромінювачів та АР на їх основі.

Модифіковано запропонований ітераційний швидкозбіжний метод синтезу фізичних систем стосовно до гостроспрямованих і площинно-всеспрямованих ДА. Приклад синтезу гостроспрямованої ДА з рівномірним розподілом фази поля на апертурі головного дзеркала ілюструється рис. 2, 3.

На рис. 2 показані модифіковані потрібні розподіли фази поля на кожній ітерації, а на рис. 3 -–– одержані розподіли фази поля після виконання кожної ітерації. Видно, що достатньо всього 4 ітерації для одержання рівномірного розподілу фази поля на апертурі головного дзеркала.

Показано, що точність запропонованого методу синтезу визначається головним чином строгістю аналізу всієї ДА разом з контррефлектором і опромінюючим рупором.

Створено математичну модель ДА на основі запропонованого електродинамічного підходу з використанням методу розкладання полів на сферичні хвилі. У рамках зазначеної моделі одержано формули для поля випромінювання антени з урахуванням дійсного розподілу електричного поля на апертурі рупора. Запропоновано методику обчислення поверхневих інтегралів у задачі збудження електричних струмів на поверхні рефлектора полем випромінювання рупора. Показано обчислювальну ефективність зведення поверхневих інтегралів до лінійних. У наближенні інтеграла Кирхгофа-Гюйгенса одержано формули для розрахунку ДВ антени в далекій зоні. Чисельно і експериментально проілюстровано високу точність створеної математичної моделі.

Виконано електродинамічний аналіз вісесиметричної площинно-всеспрямованої ДА. Як складову частину зазначеного аналізу у строгій постановці на основі методу УМР розв’язано внутрішню крайову задачу електродинаміки для радіального рупорного випромінювача. З цією метою проведено декомпозицію антени на прості відрізки радіальних хвилеводів, які формують радіально-неоднорідну структуру. Вперше знайдено УМР стику двох радіальних хвилеводів і стику вхідного круглого хвилеводу з радіальним хвилеводом. Для цього в строгій постановці вперше розв’язано задачу дифракції ЕМХ на стику двох радіальних хвилеводів і задачу збудження радіального хвилеводу круглим хвилеводом. Ефективне розв’язання останньої задачі одержано завдяки запропонованому способу одержання УМР через елементи узагальненої матриці провідностей. Одержано співвідношення для поля випромінювання антени по знайденому розподілу електричного поля в апертурі радіального рупора. Порівнянням з відомими результатами для окремих випадків доведено коректність проведеного електродинамічного аналізу вісесиметричної площинно-всеспрямованої ДА.

Розроблено математичну модель коаксіально-рупорної антени (рис. 4) на основі методів УМР і інтегральних рівнянь. Вперше для розрахунку УМР співвісних стиків коаксіальних хвилеводів з довільною геометрією застосовано метод інтегральних рівнянь. Задачу дифракції ЕМХ на стику двох коаксіальних хвилеводів сформульовано у вигляді системи інтегральних рівнянь відносно тангенціальних електричних полів у отворах зв’язку.

Створено універсальну математичну модель для класу скінченних плоских АР на основі вісесиметричних апертурних випромінюючих елементів. У кожній конкретній решітці випромінюючі елементи можуть бути неоднаковими, розташовуватись на довільних відстанях, збуджуватися довільними типами власних хвиль. Забезпечена можливість урахування довільного числа власних хвиль у кожному випромінювачі і взаємодії між усіма враховуваними типами хвиль у всіх випромінювачах АР. У рамках створеної математичної моделі одержано систему інтегральних рівнянь, що описують взаємодію між ЕМХ на апертурах кінечного числа випромінюючих елементів АР, розташованих на плоскому нескінченному ідеально провідному металевому екрані. Система інтегральних рівнянь зведена до нескінченної СЛАР відносно невідомих амплітуд власних хвиль коаксіальних хвилеводів як випромінюючих апертурних елементів. Отримана при цьому узагальнена матриця провідностей перетворена в УМР, яка дозволяє визначити розподіл тангенціальних магнітного і електричного полів на апертурі АР з урахуванням взаємних зв’язків між випромінюючими елементами і відбиття хвиль від межі відкритого кінця хвилеводу з вільним простором. Одержано інтеграли зв’язку між ЕМХ і досліджено особливості взаємного перетворення хвиль на апертурах випромінюючих елементів. Встановлено, що при відбитті від межі відкритого кінця окремого вісесиметричного хвилеводу з вільним простором не збуджують одна одну: азимутально-однорідні магнітні й електричні хвилі; хвиля Т й азимутально-однорідні магнітні хвилі; азимутально-неоднорідні хвилі з ортогональними поляризаціями.

Проілюстровано універсальність розробленої математичної моделі скінченної АР численними теоретичними дослідженнями як окремих випромінювачів різних типів, так і АР на їх основі з прямокутною і гексагональною схемами розміщення вісесиметричних апертурних елементів. Порівнянням одержаних результатів з відомими, а також теоретичними і експериментальними дослідженнями запропонованої і розробленої багатопроменевої антенної системи, що працює в октавній смузі частот, підтверджено коректність і точність розробленої математичної моделі АР. В АР використані розроблені компактні широкосмугові поляризаційно-інваріантні екрановані дискостержневі випромінювачі.

У розділі 5 розглянуто використання апарату періодичних функцій для розрахунку вісесиметричних антен поверхневої хвилі.

Запропоновано спектральний критерій періодичності, який є практичною мірою періодичності квазіперіодичних процесів і може виступати гарантованою достатньою умовою для застосування апарату періодичних функцій в дослідженнях фрагментів циклічних процесів, у тому числі антен, побудованих на основі відрізків періодичних структур. Введено поняття спектрального та наближеного спектрального критеріїв періодичності процесу, що циклічно повторюється – це нормовані відхилення, відповідно, на 1% та на 10% відносної енергії, зосередженої в основному пелюстку його спектру, від граничного значення, що відповідає ідеальному періодичному процесу. Встановлено, що наближеному спектральному критерію періодичності відповідає уривок періодичного процесу тривалістю у три періоди, а спектральному критерію – у дев’ять періодів. На прикладі розрахунку ДВ гофрованого хвилеводу на основній поляризації та кросполяризації підтверджено істинність спектрального та наближеного спектрального критеріїв періодичності. Показано, що наявність фрагмента періодичного процесу тривалістю в три періоди є необхідною умовою для застосування апарату періодичних функцій для їх аналізу. Квазіперіодичний процес з числом періодів рівним дев’яти в розумінні енергетичних спектральних характеристик практично не відрізняється від ідеального періодичного процесу.

У строгій постановці варіаційним методом часткових областей розв’язано задачі поширення ЕМХ у діелектричному стержні, періодично навантаженому тонкими металевими кільцями (рис. 5) та екранованому кільцевому хвилеводі з діелектричним заповненням (рис. 6).

Поле випромінювання у далекій зоні визначено за допомогою перетворення Фур’є від поперечних компонент поля періодичної структури. Проведено аналіз дисперсійних рівнянь для зазначених структур. Одержано наближені аналітичні розв’язки дисперсійних рівнянь для азимутально-неоднорідних хвиль з азимутальним індексом m=1 на границях відсічки цих хвиль. Визначено типи хвиль, які можуть поширюватися в таких структурах і дано їх класифікацію.

За допомогою створеного програмного забезпечення проведено чисельне дослідження характеристик поширення і випромінювання перших трьох гібридних хвиль з азимутальним індексом m=1 екранованим кільцевим хвилеводом з діелектричним заповненням. Встановлено, що підбором геометрії такого випромінювача і значень діелектричної проникності середовищ у середині кілець і в просторі між екраном і кільцями можна забезпечити його одномодовий режим роботи на будь-якій із цих хвиль. Для роботи на найбільш довгохвильовій з них необхідно вибирати значення відношення діаметра екрана до діаметра кілець у межах від 2 до 7. При цьому можуть бути одержані: смуги робочих частот від 40 до 100%; максимальний рівень КПВ менший –30 дБ у смузі частот 20%; ширина ДВ за рівнем половинної потужності від до . Робочою хвилею може бути і хвиля ( ), але в тому діапазоні частот, де не поширюється хвиля ( ). При цьому можна одержати в смузі частот 10% рівень КПВ, менший –25 дБ.

Проведено чисельні дослідження частотних залежностей фазової швидкості поверхневої хвилі, рівня КПВ і ширини ДВ від геометричних параметрів кільцестержневої антени і діелектричної проникності її стержня. Встановлено, що для створення кільцестержневих антен, які мають робочу смугу частот 25 –– 30% при рівні КПВ, меншому –25 дБ, необхідно використовувати центральний діелектричний стержень з діелектричною проникністю, не більшою 3,0, а максимальне значення відношення ширини кілець до періоду структури не повинно перевищувати значення 0,4. Поперечний розмір кільцестержневої антени складає біля чверті довжини хвилі.

На основі МЧО з поздовжнім розділенням у наближенні періодичності структур створено математичну модель дискостержневої антени з канонічною та ступінчастою (рис. 7,а) формами дисків, ребристого стержня з канонічною та ступінчастою (рис. 7,б) формами дисків у круглому хвилеводі, діафрагмованого круглого хвилеводу із канонічною та ступінчастою (рис. 7,с) формами діафрагм та дискотрубчастої антени (рис. 8). В рамках цих моделей розв’язано задачі поширення ЕМХ у зазначених вісесиметричних періодичних ребристих структурах і визначено їх поля випромінювання з використанням методу еквівалентної апертури.

За допомогою розробленого пакета програм проведено чисельне дослідження характеристик поширення та випромінювання дискостержневих та дискотрубчастих структур. Досліджено збіжність одержуваних розв’язків до точних при збільшенні кількості враховуваних просторових гармонік над ребристою структурою та коливань в резонаторах.

У результаті виконаних теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що створені математичні моделі кільцестержневих, дискостержневих та дискотрубчастих антен забезпечують високу точність розрахунку дисперсійних характеристик хвиль у цих структурах і лише задовільну точність розрахунку характеристик їх випромінювання. У наближенні періодичних структур основна закономірність, характерна для всіх цих антен, полягає у тому, що із збільшенням частоти розширяються ДВ і підвищуються рівні бічного випромінювання та КПВ. Для всіх цих антен є принципова можливість одержання низьких рівнів КПВ у заданому діапазоні частот при належному виборі їх геометричних параметрів.

Розроблено та експериментально досліджено взірці широкосмугових дискостержневої та дискотрубчастої антен з оригінальними пристроями їх збудження за допомогою коаксіально-хвилевідного роздільника і трансформаторів хвилі коаксіального хвилеводу в гібридну хвилю ребристої структури. Показано, що запропонований пристрій збудження за допомогою коаксіально-хвилевідного роздільника суттєво підвищує механічну міцність всієї дискостержневої антени, дозволяє під’єднувати випромінювач безпосередньо до двоканальної системи оброблення інформації та забезпечує поляризаційну розв’язку не менше 40 дБ і КСХН<1,3 у смузі частот 37%.

Визначено, що за сукупністю електродинамічних і технологічних характеристик кільцестержневу антену доцільно використовувати як поляризаційно-інваріантний випромінювач середньої спрямованості у діапазонах частот 1 –– 10 ГГц. Випромінювачі обох типів (рис. 5 і рис. 6) можуть застосовуватися також як елементи фазованих АР і АР з керованою поляризацією. Дискотрубчасті антени поверхневої хвилі мають перевагу над дискостержневими антенами у тому, що у них відсутня хвиля і першою є робоча гібридна хвиля . Дискотрубчасті антени мають конструктивно-технологічні переваги над дискостержневими і кільцестержневими антенами і є конкурентноспроможними для використання у системах мобільного зв’язку GSM-1800 та в наземних розподільних інформаційних системах з поляризаційним ущільненням каналів типу MMDS у діапазонах частот 2,4 –– 2,7 ГГц та 3,4 –– 3,6 ГГц.

У розділі 6 представлені результати дослідження та розроблення оригінальних хвилевідно-пластинчастих ПП та секцій ДФЗ.

Запропоновано принципово новий широкосмуговий бездисперсійний обертач площини (або еліпса) поляризації ЕМХ (рис. 9), який не має аналогів у світі.

Застосування двох пластин (рис. 9), розташованих в ортогональних площинах симетрії хвилеводу, які відрізняються тим і тільки тим, що одна пластина має ковзну площину симетрії, а інша –– дзеркальну площину симетрії, перпендикулярну осі хвилеводу, приводить до відсутності частотної залежності ДФЗ у запропонованому ПП і розширення його робочого діапазону частот до смуги узгодження пластин. Точність одержання ДФЗ 180 визначається не дисперсійними властивостями лінії передачі у діапазоні частот, а точністю виготовлення й розміщення пластин у площинах симетрії хвилеводу. На практиці постійність ДФЗ досягається у смузі частот узгодження зазначеної секції.

Запропоновано новий ОМП в еліптичному базисі на основі тонкої ступінчастої пластини у квадратному хвилеводі (рис. 10). Особливість його конструкції, що відрізняє її від існуючих технічних рішень, полягає в об’єднанні ступінчастої пластини ОМП з узгодженим відрізком гребінчастої структури. Це дозволяє розширити смугу робочих частот ОМП із заданою еліптичністю без збільшення його довжини.

Запропоновано хвилевідно-пластинчасту секцію ДФЗ з узгодженими відрізками гребінчастих періодичних структур у поздовжній площині симетрії квадратного хвилеводу (рис. 11). Від існуючих секцій ДФЗ вона відрізняється тим, що обидві гребінчасті періодичні структури виконані симетрично на деякій відстані від протилежних стінок квадратного хвилеводу. Встановлення гребінчастих структур на гладкостінні підставки забезпечує значне розширення смуги робочих частот секції ДФЗ.

Створено математичну модель тонкої ступінчастої пластини, розташованої посередині квадратного хвилеводу у поздовжній площині його симетрії. У рамках цієї моделі одержано розв’язки внутрішніх крайових задач електродинаміки на власні хвилі регулярної структури з нескінченно тонкими пластинами при формулюванні задачі відносно електричних полів у зазорі між гребенями (модель зазора) і електричних струмів на гребенях (модель гребеня). Показано, що ці розв’язки задач дають двосторонні наближення для критичних чисел власних хвиль цих хвилеводів. Встановлено, що правильний вибір математичної моделі для власних хвиль такий: модель зазора для малих зазорів, а модель гребеня для малих гребенів. Знайдено УМР стиків, які є ключовими елементами запропонованих хвилевідно-пластинчастих ПП. Розроблено програми розрахунку зазначених мікрохвильових пристроїв, які використані для синтезу хвилевідно-пластинчастих ПП.

Для якісного аналізу процесів, що відбуваються у П- або H-хвилеводі з тонким гребенем, введено поняття парціальних потужностей, пов’язаних із ортогональними компонентами поперечного електричного поля. Виконано чисельне дослідження залежностей парціальних потужностей у функції від висоти гребеня. В результаті встановлено, що принаймні для хвилеводів із відношенням a/b<2 залежності мають екстремальний характер. Це означає, що: по-перше, із збільшенням висоти гребеня плавний перехід від П-хвилевода до розгалуженого хвилевода не відбувається і задача такого з’єднання повинна ставитися як задача збудження розгалуженого хвилевода П-хвилеводом із мінімальним коефіцієнтом відбиття; по-друге, існує певна висота тонкого гребеня П-хвилевода, при якій має місце оптимальне збудження зазначеної структури.

Розроблено математичну модель, алгоритм та програму розрахунку широкосмугових секцій ДФЗ на квадратному хвилеводі з гофрами на протилежних стінках. Проведено дослідження залежностей характеристик секцій від зміни їх геометрії. Встановлено, що основний вплив на характеристики таких секцій ДФЗ мають зміна глибини гофрування та товщини діафрагм. В результаті оптимізації знайдено розміри секції ДФЗ, яка має ДФЗ при КСХН < 1,08 у смузі частот 40%. Довжина секції складає 4 ( –– середня довжина хвилі робочого діапазону хвиль). Також синтезовано секцію ДФЗ, яка забезпечує ДФЗ у смузі частот 28%. Синтезовані секції ДФЗ як за відхиленням ДФЗ від номінального, так і за рівнем узгодження повністю відповідають сучасним вимогам практики.

У розділі 7 представлені результати розроблень і впроваджень ПААС та їх ключових пристроїв.

Практичною реалізацією трьох оригінальних ПААС підтверджено достовірність створеної узагальненої теорії поляризаційних перетворень ЕМХ ЛС та запропонованих принципів, методів і способів адаптивної ортогоналізації та узгодження поляризацій радіосигналів.

Випробуванням діючих зразків наземних станцій із розробленими ПААС на основі запропонованих технічних рішень підтверджено високу точність узгодження або ортогоналізації поляризації випромінюваних радіосигналів по відношенню до апріорно невідомої довільної поляризації прийнятих радіосигналів у широкій смузі частот. Експериментально доведено, що запропоновані способи мають значні переваги над відомими по точності поляризаційної адаптації при значно нижчих вимогах до елементів антенно-фідерних трактів. Результати проведених випробувань свідчать про можливість кардинального підвищення ефективності та розширення функційних можливостей радіотехнічних систем з адаптивно керованою поляризацією. Експериментально підтверджено, що необхідною умовою досягнення високої точності ортогоналізації або узгодження поляризацій радіосигналів, що приймаються і передаються, є використання антен з дуже низькими рівнями КПВ, ОМП з високою розв’язкою між ортогональними каналами та широкосмугових секцій ДФЗ.

Проведено оптимізацію, розроблення конструкцій, виготовлення зразків окремих елементів ПААС. Зокрема, синтезовані та впроваджені у серійне виробництво нові опромінюючі системи для модифікованих антен Касегрена з діаметрами головних дзеркал 7 м (рис. 12) та 3,66 м (рис. 13). Ці антени є конкурентноспроможними на світовому ринку. Вони експортуються за кордон (Росія, Італія), де використовуються в земних станціях супутникових інформаційних систем нового покоління.

Синтезовано, розроблено та впроваджено у серійне виробництво нові поляризаційно чисті дводзеркальні офсетні антени Грегорі з еквівалентними діаметрами головних дзеркал 1,2 м (рис. 14), 1,8 м (рис. 15) та 2,4 м (рис. 16).

Усі промислові взірці цих антен мають КПВ в –1 дБ контурі ДВ менше –38 дБ, а бічні пелюстки їх ДВ на основній поляризації знаходяться нижче обвідної, рекомендованої МККР для антен земних станцій нового покоління. Загалом, за всіма характеристиками ці антени є конкурентноспроможними на світовому ринку VSAT антен і придатними для використання у складі ПААС для РЕЗ різного призначення.

Розраховано і практично реалізовано поляризаційно-інваріантну площинно-всеспрямовану ДА для наземних розподільних інформаційних систем з поляризаційним ущільненням каналів. У робочій смузі частот 11,7 –– 13,5 ГГц коефіцієнт спрямованої дії антени складає не менше 9 дБ при КСХН<1,3. З використанням запропонованого методу синтезу розроблено поляризаційно-інваріантну дводіапазонну (3,6 –– 4,2 ГГц і 6,4 –– 7,1 ГГц) параболічну антену з діаметром головного дзеркала 3 м, яка має рівень КПВ в 1 дБ контурі менший –35 дБ і КСХН<1,1 на вході опромінювача.

Також проведено проектування (із застосуванням запропонованого методу синтезу) оригінальних високотехнологічних квазілогоперіодичних телевізійних антен, антен для стільникових систем зв’язку стандарта GSM-1800 та надширокосмугових дзеркальних антен (1,0 –– 10,0 ГГц) з логоперіодичними і щілинними опромінювачами, призначених для моніторингових систем нового покоління.

Запропоновано, розроблено, практично реалізовано та експериментально досліджено такі ключові пристрої ПААС: унікальний широкосмуговий бездисперсійний обертач площини (еліпса) поляризації, що не має аналогів у світі; оригінальні хвилевідно-пластинчасті ОМП в різних поляризаційних базисах (лінійному, коловому,