ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н. КАРАЗІНА

Блинова Наталія Костянтинівна

УДК 537.87: 621.396.677.7

РОЗСІЮВАННЯ електромагнітних ХВИЛЬ

НА СИСТЕМАХ ЩІЛИН У ХВИЛЕВОДАХ З

ДОВІЛЬНИМИ НАВАНТАЖЕННЯМИ

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті

імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Яцук Людмила Прокопівна,

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна,

професор кафедри прикладної електродинаміки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Кириленко Анатолій Опанасович,

Інститут радіофізики та електроніки

ім. О.Я. Усикова НАН України,

завідувач відділу обчислювальної

електродинаміки (м. Харків);

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Грибовський Олександр Володимирович,

Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків).

Провідна установа:

Харківський національний університет радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України, кафедра основ

радіотехніки (м. Харків).

Захист відбудеться “ 19 ” червня 2003 р. о 14-00 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського

національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці

Харківського національного університету імені В.Н.  Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “ 17 ” травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дана робота присвячена розробці математичних моделей і дослідженню розсіювання електромагнітних хвиль на системах щілин у прямокутному хвилеводі з довільними навантаженнями.

Актуальність теми. Теорія розсіювання електромагнітних хвиль на неоднорідностях у хвилеводах відіграє велику роль у процесі автоматизованого проектування антенно-фідерних пристроїв, зокрема, хвилевідно-щілинних фазованих антенних решіток (ФАР). Одним із напрямків удосконалення таких ФАР є ускладнення конструкцій щілинних випромінювачів (використання щілин складної форми, групових випромінювачів та ін). Ці системи є багатопараметричними, тому для їх оптимального проектування і використання важливо знати вплив кожного з параметрів і їх сукупності на характеристики системи в цілому. В даний час недостатньо вивчено вплив на функціональні можливості хвилевідно-щілинних антен відбиття від кінцевих навантажень у хвилеводах, взаємних зв'язків випромінювачів у ФАР та товщини стінок хвилеводів, у яких прорізані щілини. Не досить повно досліджені можливості використання цього впливу для керування характеристиками ФАР. Зокрема, має практичний інтерес дослідження можливості поліпшення узгодження, діаграми спрямованості і поляризаційних характеристик шляхом регулювання комплексного коефіцієнта відбиття хвиль від кінцевих навантажень. Це обумовлює актуальність теми дисертації.

Оскільки розробка таких систем тільки на підставі експериментальних досліджень є трудомісткою, тривалою і дорогою, то безсумнівно актуальним є їх математичне моделювання, що, у свою чергу, вимагає розвитку відповідних методів дослідження. Оскільки одержання строгого аналітичного розв’язку задачі для магнітного струму в багатоэлементній хвилевідно-щілинній системі скінченних розмірів пов'язано з нездоланними труднощами, доводиться звертатися до чисельних методів. Як відомо, найбільш простими й ефективними є ітераційні методи. У роботі обраний один з них, реалізований раніше для розрахунку напруг у лінійній системі поодиноких щілин в узгодженому на кінці хвилеводі. У цьому методі використовувалося наближення нескінченно-тонких стінок хвилеводу. Необхідно було модифікувати його з метою урахування скінченної товщини стінки хвилеводу, довільного навантаження, що відбиває, більш складної конфігурації щілин, а також для розрахунку двомірних хвилевідно-щілинних ФАР.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі прикладної електродинаміки радіофізичного факультету Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна. Тема дисертації тісно пов'язана з приоритетними напрямками розвитку науки і техніки в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (п.7-“Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку”, напрямок 01 "Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природних, суспільних і гуманітарних наук"). Дисертаційна робота нерозривно пов'язана з науковими напрямками кафедри “Фундаментальні дослідження з вивчення випромінення електромагнітних хвиль. Розробка методів розрахунку і дослідження фізичних явищ в антенах із круговою та довільною еліптичною поляризацією”. Вона також є складовою частиною виконаних на кафедрі прикладної електродинаміки держбюджетних НДР, у яких автор брала участь як виконавець (номера держреєстрації: 0194U018564, 0197U015778, 0100U003338, 0197U001220).

Мета і задачі дослідження. Об'єктом дослідження в даній роботі є розсіювання і випромінювання електромагнітних хвиль у прямокутних хвилеводах, що містять хвилевідно-щілинні випромінювачі. Предметом дослідження є розсіювання і випромінювання електромагнітних хвиль системами щілин простої та ускладненої форми в хвилеводах з довільними навантаженнями. Метою дисертаційної роботи є з’ясування фізичних закономірностей випромінювання і розсіювання електромагнітних хвиль системами хвилевідно-щілинних випромінювачів (ХЩВ), що містять поодинокі, хрестоподібні та здвоєні щілини в хвилеводах з довільними навантаженнями, а також математичне моделювання вказаних систем.

Для досягнення цієї мети необхідно було виконати такі етапи роботи.

·

а) визначення амплітудно-фазового розподілу (АФР) у лінійних хвилевідно-щілинних решітках (ХЩР), що містять прості або комбіновані щілинні випромінювачі з урахуванням скінченної товщини стінки хвилеводу та довільного навантаження на його кінці;

б) визначення АФР у двомірних решітках хвилевідно-щілинних випромінювачів з урахуванням взаємних зв'язків за внутрішнім і зовнішнім простором.

·

· Провести дослідження фізичних закономірностей розсіювання електромагнітних хвиль на багатоелементних системах щілин та на поодиноких щілинних випромінювачах у хвилеводах з довільними кінцевими навантаженнями з використанням розроблених модифікованих методів і побудованих алгоритмів.

· Провести експериментальні дослідження енергетичних, поляризаційних і напрямлених характеристик досліджуваних систем для перевірки достовірності розрахункових результатів, отриманих на основі розроблених методів і обчислювальних програм.

Методи дослідження. У роботі використані наступні теоретичні методи:

а) модифікований метод послідовних наближень для розрахунку АФР у багатоелементних решітках хвилевідно-щілинних випромінювачів простої чи складної форми;

б) метод наведених магніторушійних сил (МРС) для розрахунку напруг на щілинах, що утворюють окремий випромінювач у багатоелементній системі;

в) методи теорії збудження електромагнітних хвиль в електродинамічних об’ємах для визначення власних і взаємних провідностей щілин.

При проведенні експериментальних досліджень використовувалися традиційні методи вимірювання з використанням стандартних вимірювальних приладів у НВЧ діапазоні хвиль.

Наукова новизна. У роботі отримані наступні нові результати:

Вперше розв'язані задачі розсіювання і випромінювання електромагнітних хвиль щілинними випромінювачами та їх системами у хвилеводах з довільними кінцевими навантаженнями. Розроблено математичний апарат для розв'язання таких задач, а саме, відомий метод послідовних наближень узагальнено для розрахунку АФР у лінійних решітках поодиноких вузьких щілин і щілин більш складної конфігурації (хрестоподібних, здвоєних) у хвилеводах зі скінченною товщиною стінок і довільним навантаженням на кінці. Крім того, метод послідовних наближень модифіковано для розрахунку АФР в двомірних хвилевідно-щілинних решітках випромінювачів. Модифікований метод послідовних наближень апробований та перевірений експериментально, при цьому підтверджена вірність розроблених алгоритмів.

1.

2.

3.

4.

Практичне значення отриманих результатів У роботі показана можливість покращення узгодження на вході вже існуючої антени шляхом зміни коефіцієнта відбиття кінцевого навантаження.

Запропоновано простий практичний спосіб настроювання хвилевідно-щілинної антени на кругову поляризацію, що дозволяє за допомогою кінцевого навантаження, незалежно регульованого по амплітуді і фазі коєфіцієнта відбиття, доводити коефіцієнт еліптичності поля, випромінюваного готовою антеною, до значення, близького до одиниці.

Запропонований у дисертаційній роботі узагальнений метод послідовних наближень дозволяє розробляти ефективні алгоритми розрахунків АФР у лінійних і двомірних ХЩР з довільною кількістю щілинних випромінювачів простої та складної форми (щілини можуть бути поодинокими, здвоєними, хрестоподібними та інш.). Метод дозволяє враховувати відбиття хвилі від кінцевого навантаження у хвилеводі, а також заповнення порожнин щілин і (чи) хвилеводу діелектриком. Ефективність цього методу має велике значення при розв’язанні як задач аналізу, так і задач синтезу ХЩР. Його застосування є перспективним у системах автоматичного проектування складних випромінюючих систем мікрохвильового діапазону.

Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень можуть бути використані в процесі створення хвилевідно-щілинних антенних решіток, що характеризуються заданими діапазонними властивостями енергетичних, поляризаційних та спрямованих характеристик. Результати досліджень також можуть бути використані у навчальних курсах для студентів факультетів радіофізичного профілю.

Особистий внесок здобувача. У роботах, що опубліковані в співавторстві, автору належить: [1, 2, 4, 5, 7] – одержання розрахункових формул, розробка алгоритмів і програм обчислень, проведення чисельних розрахунків та експериментальних досліджень, а також аналіз отриманих результатів; [3] – проведення теоретичних досліджень, пов'язаних з розрахунками двома методами, а також аналіз отриманих результатів; [6, 8, 15, 16, 17] -проведення теоретичних та експериментальних досліджень, аналіз отриманих результатів; [9-14] – розробка програм обчислень, проведення розрахунків і аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені й обговорені на Всесоюзному НТ симпозіумі "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств” (Харків, 1986); Всесоюзній НТ конференції "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов" (Київ,1989); Всесоюзному семінарі "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на ОИС" (Суздаль, 1989); Всесоюзній НТ конференції "Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация, проектирование и измерения" (ФАР-90, Казань, 1990); 5-й, 7-й , 8-й, 11-й Міжнародних Кримських конференціях "СВЧ- техника и спутниковые телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 1995, 1997, 1998, 2001); міжнародних конференціях: International Conference on Mathematical Metohods in Electromagnetic Theory MMET-98 (Харків); MMET-2000 (Харків).

Публікації. Основні наукові результати дисертації опубліковані в 7 статтях у вітчизняних наукових фахових журналах і збірниках і додатково висвітлені в 10 доповідях на міжнародних наукових конференціях і симпозіумах.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 155 сторінок та містить у собі 127 сторінки основного тексту, 49 рисунків, 2 таблиці. Повністю займають всю площу сторінки 15 рисунків на 15 сторінках. Список використаних джерел на 13 сторінках налічує 124 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтована актуальність обраної теми, необхідність виконання роботи, її зв'язок з науковими програмами, визначені мета і задачі досліджень, методи їх розв’язання, приведена загальна характеристика дисертації, наведено нові результати та можливі галузі їх застосування.

Розділ 1 присвячений аналізу сучасного стану досліджень в галузі теорії розсіювання електромагнітних хвиль в хвилевідно-щілинних випромінювачах та їх системах. Проведено порівняльний аналіз чисельних методів розрахунку хвилевідно-щілинних решіток (ХЩР). Обґрунтовано вибір одного з ітераційних методів для дослідження амплітудно-фазових розподілів, поляризаційних та енергетичних характеристик решіток хвилевідно-щілинних випромінювачів. Розглянуто способи керування поляризацією випромінюваного поля ХЩР і способи одержання поляризації, близької до кругової. Розглянуто способи забезпечення широкої чи вузької смуги частот пропускання за рахунок застосування групових щілинних випромінювачів. На основі аналітичного огляду та аналізу літератури обрані основні напрямки досліджень.

У розділі 2 “Математичні моделі і алгоритми розрахунку лінійних і двомірних хвилевідно-щілинних решіток” запропонована модифікація відомого ітераційного методу послідовних наближень (МПН), що дозволяє розраховувати за заданою геометрією випромінювачів АФР напруг поля у лінійних хвилеводно-щілинних решітках з урахуванням взаємного впливу випромінювачів. Суть методу полягає в тому, що в першому і у всіх непарних наближеннях вважається, що напруги на щілинах наводяться полем хвилі, що розповсюджується від генератора. У цих наближеннях враховується вплив за внутрішнім і зовнішнім простором попередніх щілин на наступні. В другому і всіх парних наближеннях розглядається процес в зворотному напрямку. У результаті напруга на кожній щілині визначається як сума напруг послідовних наближень. Цей метод привабливий своєю простотою, він не вимагає обернення матриць високих порядків при розрахунку решіток з великою кількістю випромінювачів, як у випадку безпосереднього застосування методу наведених МРС. Однак він мав певні обмеження, оскільки був розроблений для систем поодиноких поздовжніх щілин, прорізаних в широкій стінці і розташованих уздовж осі нескінченного хвилеводу з нескінченно тонкими стінками. Вказаний метод модіфіковано для розрахунку АФР і електродинамічних характеристик наступних об’єктів: а) двомірних решіток щілин; б) лінійних систем поздовжніх щілин або щілин складної форми, прорізаних у стінках хвилеводів скінченної товщини з довільними кінцевими навантаженнями.

Модифікація полягає в тому, що при урахуванні скінченної товщини стінки хвилеводу на кожному кроці наближень послідовно визначаються напруги на внутрішній і зовнішній поверхнях кожної щілини за допомогою системи лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) методу наведених МРС. Порядок системи дорівнює 2pN, де p – число апроксимуючих функцій на щілині, N- кількість щілин, що входять у склад випромінювача. Матричні елементи цих СЛАР не залежать від виду навантаження, що відбиває, вони відповідають нескінченному хвилеводу, наявність кінцевого навантаження враховується тільки комплексною амплітудою хвилі, що падає на останню щілину в зворотньому напрямку. Урахування скінченної товщини стінки хвилеводу дозволяє розраховувати характеристики решіток ХЩВ, заповнених діелектриком з будь-яким значенням діелектричної проникності, причому алгоритм розрахунку при цьому не ускладнюється.

Модифікація полягає також в тому, що в МПН ураховується комплексний коефіцієнт відбиття від довільного навантаження. Це значить, що у парних наближеннях амплітуда хвилі, яка збуджує останню щілину, вже не дорівнює нулю, а обумовлена відбиттям від навантаження хвилі попереднього наближення. При безпосередньому застосуванні методу МРС для розрахунку цих же решіток з довільним навантаженням необхідно проводити розрахунок матричних елементів для кожного визначеного навантаження, тобто необхідно проводити розрахунок магніторушійних сил, власної і внутрішніх взаємних провідностей кожної щілини з урахуванням модуля і фази цього навантаження. У МПН використовуються власні провідності, що розраховуються тільки для нескінченного хвилеводу, немає необхідності розраховувати внутрішні взаємні провідності. Взаємодія за внутрішнім простором враховується в процесі розрахунку амплітуд напруг, що збуджують щілини в різних наближеннях, тому обсяг обчислень у цьому випадку значно скорочується.

Показано, що розроблений алгоритм розрахунку в випадках ідеального узгодження або повного відбиття забезпечує результати, що збігаються з даними розрахунку, отриманими для тієї ж задачі методом наведених МРС. Крім того, була проведена серія розрахунків та експериментів для конкретних варіантів ХЩР, у результаті яких була підтверджена вірність розроблених алгоритмів і програм. Як приклад приведені результати чисельних і експериментальних досліджень частотних залежностей коефіцієнта відбиття на вході закороченого прямокутного хвилеводу перетином 23х10мм із двадцятьма поздовжніми щілинами (N=20). Відзначено повний збіг результатів, отриманих МПН і методом наведених МРС у випадку розрахунку характеристик решіток без урахування скінченної товщини стінок хвилеводу. Одержано гарну відповідність розрахунків МПН при урахуванні скінченної товщини стінок хвилеводу з результатами проведеного експерименту.

Проведено порівняння можливостей розрахунку АФР енергетичним методом (ЕМ) і методом послідовних наближень. Показано переваги останнього, оскільки він застосовується в однаковій мірі для резонансних і нерезонансних антен, коротких і довгих, враховує більш точно фази напруги на щілинах, завдяки чому вірніше визначається КСХН на вході антени і діаграма спрямованості. По складності алгоритму ЕМ відповідає першому наближенню МПН, але виявляється меньш точним.

Проілюстровано важливість урахування скінченної товщини стінок хвилеводу в алгоритмах розрахунку багатощілинних систем. Особливо важливо її враховувати в низькопрофільних хвилеводах (наприклад 23х5мм), тому що результати розрахунків коефіцієнта випромінювання на деяких частотах можуть выдрізнятися на значну величину ( до 50%) з урахуванням і без урахування товщини стінки.

Показано, що за допомогою навантаження, регульованого незалежно за модулем і за фазою коефіцієнта відбиття, можна керувати узгодженням входу антени. Так, наприклад, для резонансної лінійки хвилевідно-щілинних випромінювачів (N=20) переміщенням навантаження з невеликим модулем коефіцієнта відбиття =0,2 , тобто зміною фази цього навантаження, можна домогтися у деякій смузі частот ( 2,6%) зменшення КСХН на вході антени від 1,8 до 1,4 при невеликому (кілька відсотків) збільшенні коефіцієнта випромінювання. При відхиленні головної пелюстки діаграми спрямованості від нормалі вдається зменшити рівень першої бокової пелюстки у порівнянні з випадком повністю узгодженого навантаження.

Проведено аналіз ефективності розробленого модифікованого методу послідовних наближень у застосуванні до двомірних ХЩР. Показано, що при розрахунку МПН практично відсутні обмеження на кількість випромінювачів у двомірній ХЩР, тому що немає необхідності розв’язувати системи рівнянь високих порядків. Швидкість збігу МПН ілюструє наступний приклад: результати розрахунків двомірної ФАР, що містить 16 хвилеводів з 20-ма щілинами кожний, практично стабілізуються на 30-му наближенні.

Проведено порівняння результатів, отриманих модифікованим МПН, з результатами експериментальних досліджень, а також з результатами тестових розрахунків, отриманих методом МРС, показаний їх збіг. Розбіжність результатів розрахунків і вимірів знаходиться в межах похибок експерименту. Зокрема, проведені розрахунки і виконані виміри коефіцієнта передачі потужності з однієї активної (випромінюючої) лінійки хвилевідно-щілинних випромінювачів в інші пасивні лінійки, що складають двомірні решітки. Показано, що взаємодія за зовнішнім простором сусідніх хвилеводів зі щілинами призводить до передачі в найближчий пасивний хвилевід близько –18 дБ відносно потужності на вході активного хвилеводу і порядка – дБ у хвилевід з номером 1 (якщо активним вважати хвилевід з номером 8). У випадку синфазного рівноамплітудного збудження всіх лінійок, КСХН входу окремої лінійки за рахунок взаємного впливу за зовнішнім простором може збільшуватися приблизно в два рази. Це говорить про важливість урахування зовнішнього взаємного впливу в двомірних ХЩР.

У Розділі 3 “Лінійна система хрестоподібних щілин у хвилеводі з довільним навантаженням, що відбиває” метод послідовних наближень модифіковано на випадок розрахунку характеристик хвилеводно-щілинних решіток із щілинами хрестоподібної форми. Проведено урахування товщини стінки хвилеводу, внутрішнього і зовнішнього взаємного впливу щілин, відбиття від кінцевого навантаження. Проведено розрахунки і експериментальні дослідження впливу цих чинників на енергетичні та поляризаційні характеристики багатощілинних систем і поодиноких хрестоподібних щілин.

Для Х-щілин різної довжини підтверджено факт, відомий раніше, що на резонансній частоті коефіцієнт еліптичності r для щілин з центром у точці кругової поляризації вектора магнітного поля хвилі не дорівнює одиниці (). Показано, що зміщення щілини із вказаної точки не тільки не зменшує r поодинокої щілини довжиною 15,68мм, для якої 6мм, а навпаки, навіть підвищує його від r=0,6 при x0=6,1мм до r=0,72 при x0=7,5мм; при подальшому збільшенні x0 коефіцієнт еліптичності знову зменшується при x0=8,5мм r=0,64. Для системи п’яти Х-щілин, коефіцієнт еліптичності приймає значення при мм. Це значить, що для резонансних Х-щілин нема необхідності точно додержуватися суміщення їх центрів з точкою .

Показано, що підвищити коефіцієнт еліптичності поля випромінювання як поодинокої, так і багатоелементної системи можна використанням навантаження з керованими модулем і фазою коефіцієнта відбиття. Ця можливість підтверджена експериментально.

Одержана аналітична залежність і за нею побудована зручна для практичного використання номограма, що дозволяє визначити значення модуля коефіцієнта відбиття від навантаження, потрібного для настроювання антени на кругову поляризацію r=1. При цьому використовуються відомі коефіцієнт проходження по хвилеводу і коефіцієнт еліптичності поля для узгодженої на кінці антени. Наведено результати експериментальних досліджень, в яких показано, що вказаним засобом настройки можна одержати коефіцієнти еліптичності, близькі до одиниці (r>0,9) від антен, що з узгодженою нагрузкою забезпечували .

У Розділі 4 “Поздовжні здвоєні щілини в широкій стінці прямокутного хвилеводу” розглянуто поздовжні здвоєні щілини, тобто дві близькорозташовані паралельні щілини, які в літературі не були ще досить докладно вивчені. Особливий інтерес становлять їх діапазонні властивості. Теоретично і експериментально досліджено властивості здвоєних поздовжніх щілин однакової довжини, прорізаних у широкій стінці прямокутного хвилеводу, а також системи таких щілин. Для дослідження подібних щілин, розташованих у хвилеводі з довільним навантаженням, було проведено відповідну модифікацію методу послідовних наближень. Це дозволило проаналізувати частотні залежності їх енергетичних параметрів і виявити незвичайні властивості таких випромінювачів. У результаті дослідження властивостей здвоєного випромінювача в залежності від положення його на стінці хвилеводу показано, що збільшення широкосмуговості цього випромінювача за рахунок взаємодії його елементів виявляється можливим тільки у випадку добре випромінюючих поздовжніх щілин, розташованих досить близько до вузької стінки хвилеводу (не далі 5,5мм для хвилеводу перетином 23х10 мм). Одержання широкосмугового випромінювання з кожним наперед заданим рівнем резонансного коефіцієнта випромінювання за допомогою здвоєної щілини неможливе. На відміну від існуючої думки, що здвоєні щілини мають бути більш широкосмуговими ніж поодинокі, виявилось таке: якщо одна з щілин, що входить до складу здвоєної, знаходиться на осі широкої стінки хвилеводу, то має місце високоефективне вузькосмугове випромінювання. Це при тому, що одна ізольована щілина, що знаходиться поблизу цієі осі, слабко випромінює, а поодинока щілина на осі – і зовсім не випромінює. Наведено результати чисельних і експериментальних досліджень частотних залежностей коефіцієнта відбиття та випромінювання для таких здвоєних щілин різної довжини. Досліджено властивості здвоєної щілини в залежності від амплітуди і фази коефіцієнта відбиття від навантаження і показано, що за допомогою короткозамкненого поршня можна домогтися повного випромінювання падаючого на здвоєну щілину поля. Таким чином, розглянуті щілини мають властивості високодобротного фільтра і високоефективного випромінювача. Добротність такого фільтра без втрати ефективності випромінювання може бути підвищена за допомогою заповнення щілин діелектриком з великим значенням діелектричної проникності. Так, наприклад, для порожнистої здвоєної щілини дифракційна добротність дорівнює 45, для щілини, яка заповнена діелектриком з =5 вона дорівнює 200. У робочій смузі частот хвилеводу можна створити також багатосмуговий випромінювач-фільтр із високою добротністю в кожній смузі пропускання.

Показано, що напруги на щілинах дослідженого вузькосмугового випромінювача приблизно рівні за амплітудою і майже протилежні за фазою. У випадку розташування здвоєної щілини симетрично осі щирокої стінки хвилеводу напруги точно противофазні. Це значить, що випромінювання в напрямку нормалі до площини щілини відсутнє. Оскільки щілини розташовані близько одна до одної, максимальне випромінювання в площині, перпендикулярній осям щілин, спостерігається в напрямках, відхилених від нормалі на кут, приблизно рівний 900. Експериментально показано, що шляхом використання насадок у вигляді відрізків хвилеводів, в яких неможливо розповсюдження хвилі H20, можна добитися випромінювання поля в напрямку нормалі до щілини.

Результати розрахунків підтверджено експериментально. Добра взаємна відповідність розрахункових і експериментальних даних свідчить про правильність розробленого алгоритму розрахунку.

У Висновках дисертації сформульовані основні результати дисертаційної роботи і зазначені можливі області застосування, а також напрямки подальших досліджень.

ВИСНОВКИ

Основні результати, одержані в дисертаційній роботі, зводяться до наступного.

На основі комбінації одного з методів послідовних наближень і методу наведених магніторушійних сил розроблено ефективний модифікований метод послідовних наближень, що дозволяє враховувати довільне навантаження на кінці хвилеводу, кінцеву товщину його стінки, взаємодію щілин по внутрішньому і зовнішньому простору при розрахунку напруг на щілинах, що збуджуються основною хвилею у таких решітках: а) у лінійній системі поодиноких поздовжніх щілин; б) на елементах хрестоподібних щілинних випромінювачів і їхніх систем; в) на елементах здвоєних поздовжніх щілин і їх систем. Число щілин у системах може змінюватися від одиниць до сотень без ускладнення алгоритму розрахунку. Метод послідовних наближень для лінійної системи поодиноких поздовжніх щілин узагальнено для розрахунку АФР у двомірних решітках ХЩВ. Обґрунтовано переваги модифікованого МПН у порівнянні з відомими методами. Створено пакет програм для чисельної реалізації розв’язків поставлених задач.

У результаті розрахункових досліджень, підтверджених експериментально, вдалось виявити наступні нові властивості і закономірності зміни у діапазоні частот характеристик розглянутих систем:

1. Шляхом відповідного вибору коефіцієнта відбиття від навантаження в решітках поздовжніх щілин можна поліпшити узгодження антени з фідерним трактом і домогтися зменшення рівня першої бічної пелюстки діаграми спрямованості нерезонансних антен у порівнянні з випадком повного узгодження на кінці антени.

2. Виявлено, що розташування центра резонансної Х-подібної щілини в точках , що рекомендовані попередніми дослідниками, не є оптимальним щодо випромінювання нею поля з круговою поляризацією. При зміщенні центра щілини з точки коефіцієнт еліптичності може навіть підвищитися. Так, в середині робочої смуги хвилеводу 23х10мм при х0- 2,5мм (х0 - координата центра щілини) коефіцієнт еліптичності r змінюється у межах 0,64 r 0,7.

3. За допомогою навантаження з керованим за модулем і фазою коефіцієнтом відбиття можна настроїти систему хрестоподібних випромінювачів на випромінювання поля з поляризацією, близькою до кругової. Для забезпечення кругової поляризації знайдена аналітична залежність, що дозволяє визначити модуль коефіцієнта відбиття від навантаження по заданих коефіцієнтах проходження й еліптичності системи щілин у хвилеводі з ідеальним навантаженням.

4. Передача енергії по зовнішньому простору між лінійними решітками, що складають двомірну ФАР, призводить до суттєвої зміни її характеристик випромінювання та узгодження. Наприклад у решітці, що складається з 16 хвилеводів з 20 щілинами кожний, взаємодія по зовнішньому простору сусідніх хвилеводів із щілинами, приводить до передачі в найближчий пасивний хвилевід біля –18 дБ відносно потужності на вході активного хвилеводу і порядку – дБ у хвилевід з номером 1 (якщо активним є хвилевід номер 8). У випадку синфазного рівноамплітудного збудження всіх лінійок КСХН входу окремої лінійки за рахунок взаємного впливу по зовнішньому простору може збільшитися приблизно в два рази.

5. Діапазонні властивості поздовжніх щілин змінюються в залежності від розташування їх відносно осі широкої стінки хвилеводу. Якщо полосу пропускання щілини, розташованої з краю стінки, можна розширити заміною поодинокої щілини здвоєною, то у випадку, коли вона розташована біля осі, зробити це неможливо.

6. Пара двох близькорозташованих поздовжніх щілин, одна з яких знаходиться на осі широкої стінки хвилеводу, є вузькосмуговим і високоефективним випромінювачем. Його можна викоростати як випромінювач-фільтр. Добротність такого фільтра без втрати ефективності випромінювання може бути підвищена шляхом заповнення щілин діелектриком з високою діелектричною проникністю.

7. Шляхом використання деякої кількості поздовжніх здвоєних щілин різної довжини, прорізаних у широкій стінці хвилеводу, в його робочій смузі частот можна сформувати декілька смуг пропускання з високою добротністю в кожній.

Результати, отримані в роботі, можуть знайти подальше застосування при розробці і конструюванні складних антенних систем, у тому числі, великих двомірних ФАР, антен кругової поляризації, багатосмугових антен, антен із заданою смугою пропускання, а також для поліпшення характеристик існуючих антен шляхом застосування регульованого навантаження. Розроблений модифікований метод послідовних наближень дозволяє провести узагальнення алгоритмів і програм на випадок багатомодових хвилеводів, моделювання більш складних випромінювачів, наприклад комбінованих, таких як щілина-вібратор та інших, а також може бути надалі застосований при розв’язанні задач синтезу випромінюючих систем з великим числом щілинних випромінювачів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яцук Л.П., Блинова Н.К. Метод последовательных приближений расчета характеристик двумерной волноводно-щелевой решетки с учетом взаимной связи излучателей // Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. - 1990. - Т.33, № 1. - С. 18-22.

2. Яцук Л.П., Блинова Н.К., Жиронкина А.В. Математическая модель линейной системы щелей в волноводе с произвольной отражающей нагрузкой // Радиотехника. - 1992. - № 7-8. - С. 73-78.

3. Блинова Н.К., Яцук Л.П. Пределы применимости энергетического метода расчета амплитудно-фазового распределения в линейных волноводно-щелевых антенных решетках // Вестник Харьковского университета. Радиофизика и электроника. - 1998. - № 405. - С. 34-41.

4. Блинова Н.К., Жиронкина А.В., Яцук Л.П. Поляризационные свойства и энергетические параметры системы Х-образных щелей в прямоугольном волноводе с произвольной нагрузкой на конце // Радиотехника. Всеукр.межвед.науч.-техн.сб. - 1998. - вып. 107. - С. 72-83.

5. Яцук Л.П., Блинова Н.К. Диапазонные свойства продольной сдвоенной щели в широкой стенке прямоугольного волновода // Радиотехника. - 2001. - № 6. - С.24-28.

6. Блинова Н.К., Яцук Л.П., Жиронкина А.В., Кийко В.И., Бандура Н.А. Продольная сдвоенная щель в широкой стенке прямоугольного волновода // Вісник Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна. Радіофізика та електроніка. - 2001. - № 513. - С. 130-134.

7. Блинова Н.К., Яцук Л.П., Кийко В.И. Линейная волноводно-щелевая антенна с управляемым коэффициентом эллиптичности // Вісник Харківського національного університету. -Радіофізика та електроніка.- № 544. - 2002.- С. 24-28.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких працях:

8. Блинова Н.К., Калиниченко И.А., Яцук Л.П. Методика расчета характеристик двумерной волноводно-щелевой решетки с учетом взаимной связи щелей // Тезисы докладов Всесоюзн. научн.-техн. симпозиума “Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств“.- М.: Радио и связь. - 1986. - С. 91-92.

9. Блинова Н.К., Яцук Л.П. Расчет волноводно-щелевых решеток с диэлектрическим заполнением щелей // Тезисы докладов Всесоюзн. научно-техн. конф. НТОРЭС им. А.С. Попова “Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах (ОИС)”. - М.: Радио и связь. - 1989. - С. 111.

10. Блинова Н.К., Горобец Н.Н., Жиронкина А.В., Катрич В.А., Лященко В.А., Пенкин Ю.М., Яцук Л.П. Проблемы расчета и оптимизации слабовыступающих антенн // Тезисы докладов I-ой Всесоюзн. научно-техн. конф. "Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов". - 1989.- Киев: КИИГА. - 1989. - С. 150.

11. Яцук Л.П., Блинова Н.К. Методика расчета внутренних и внешних характеристик волноводно-щелевых решеток конечных размеров // Тезисы докладов Всесоюзн. научно-техн. конф. "Фазированные антенные решетки и их элементы: автоматизация проектирования и измерений". Казань: КАИ. - 1990. - С. 151.

12. Яцук Л.П., Блинова Н.К., Жиронкина А.В., Катрич В.А. Влияние отражающей нагрузки в волноводе на характеристики многощелевых систем и одиночных крестообразных щелей. //Материалы 5-ой Крымской конференции "СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии". Севастополь: Предприятие “Вебер”.- 1995.- -С. 378-381.

13. Яцук Л.П., Блинова Н.К., Жиронкина А.В. Линейная система X-щелей в волноводе с произвольной отражающей нагрузкой. // Материалы 7-ой Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии".-Том. 2. – Севастополь: Предприятие “Вебер”.- 1997. - С. 502-503.

14. Yatsuk L.P., Blinova N.K., Zhironkina A.V. Influence of Reflectiong Loading on the Polarization Properties of Cross-Like Slots in a Waveguide // Proc.Internacional Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. -Vol. 2. – Kharkov (Ukraine) - 1998. - P. 586-588.

15. Блинова Н.К., Жиронкина А.В., Яцук Л.П. Поляризационные свойства волноводно-щелевой антенны с отражающей нагрузкой на конце. Теория, эксперимент // Материалы 8-ой Международной конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". -Том. 2. - Севастополь: Предприятие “Вебер”. - 1998. - С. 498-499.

16. Blinova N.K., Zhironkina A.V., Yatsuk L.P. Successive Approximation Method for the Linear System of Double Longitudinal Slots in a Rectangular Waveguide // Proc.International Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. -Vol. 2. – Kharkov (Ukraine) - 2000. - P. 485-487.

17. Блинова Н.К., Яцук Л.П. Частотно-селективные волноводно-щелевые излучатели // Материалы 11-ой Международной конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь: Предприятие “Вебер”.- 2001. - С. 385-386.

АНОТАЦІЯ

Блинова Н.К. Розсіювання електромагнітних хвиль на системах щілин у хвилеводах з довільними навантаженнями – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню розсіювання електромагнітних хвиль на системах щілин у прямокутних хвилеводах з довільними кінцевими навантаженнями. Досліджено характеристики розсіювання лінійних решіток поздовжніх щілин, хрестоподібних щілин і здвоєних поздовжніх щілин з урахуванням скінченної товщини стінки хвилеводу, діелектричного заповнення щілин, а також двомірних хвилеводно-щілинних фазованих антенних решіток (ФАР). Дослідження проведено з використанням спеціально модифікованого в роботі методу послідовних наближень. Показано, що шляхом відповідного вибору коефіцієнту відбиття від навантаження можна поліпшити узгодження антени з фідерним трактом, зменшити рівень бічних пелюсток діаграми спрямованості та підвищити коефіцієнт еліптичності поля антен з поляризацією, що обертається. Виявлено, що смуга пропускання здвоєної щілини може бути як ширшою так і вужчою, ніж смуга поодинокої щілини в залежності від положення відносно осі широкої стінки хвилеводу. Здвоєна щілина, що розташована поблизу осі широкої стінки хвилеводу, є вузькосмуговим і високоефективним випромінювачем. Проаналізовано ефекти взаємодії хвилеводів у двомірних ФАР. Результати теоретичних досліджень підтверджені експериментально.

Ключові слова: електромагнітна хвиля, хвилевод, щілина, випромінювач, хвилевідно-щілинні решітки, поляризація.

АННОТАЦИЯ

Блинова Н.К. Рассеяние электромагнитных волн на системах щелей в волноводах с произвольными нагрузками. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 – радиофизика. –Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, г. Харьков, 2003.

Диссертация посвящена исследованию рассеяния электромагнитных волн на системах щелей в прямоугольных волноводах с произвольными оконечными нагрузками. Исследованы линейные волноводно-щелевые решетки, содержащие щелевые излучатели различных типов: продольные, продольные сдвоенные и крестообразные, а также двумерные решетки с продольными щелями. Учтено влияние взаимных связей излучателей по внутреннему и внешнему пространству, а также конечная толщина стенки волновода и заполнение щелей диэлектриком. Исследование проведено с использованием одного из известных методов последовательных приближений, специально модифицированного в работе для анализа указанных выше волноводно-щелевых систем.

Модификация метода состоит в комбинировании метода наведенных магнитодвижущих сил (МДС) и метода последовательных приближений. При определении напряжений на отдельной щели (одиночной, Х-образной или сдвоенной) используется метод МДС. При этом учитывается толщина стенки волновода и взаимодействие элементов Х-образных и сдвоенных щелей. Взаимные связи излучателей и влияние отражения от нагрузки учитываются итерационной процедурой, описывающей многократные переотражения в системе. Разработанный метод обладает рядом преимуществ: он прост в использовании, в отличие от прямого применения метода МДС не требует больших затрат машинного времени и объемов оперативной памяти компьютера при расчете решеток с большим количеством излучателей, не накладывает ограничений на число щелей в решетке.

Показано, что с помощью соответствующего выбора коэффициента отражения от нагрузки в решетке продольных щелей можно улучшить согласование антенны с фидерным трактом и добиться уменьшения уровня первого бокового лепестка диаграммы направленности (ДН) по сравнению со случаем идеального согласованой нагрузки, когда главный максимум ДН отклонен от нормали.

Показано, что с помощью комплексной нагрузки с управляемым по модулю и фазе коэффициентом отражения можно настроить систему крестообразных излучателей на излучение поля с поляризацией, близкой к круговой. Модуль и фаза коэффициента отражения определяются по полученной аналитической зависимости или с помощью построенной по этой зависимости номограммы.

Впервые обнаружено, что пара близкорасположенных продольных щелей, одна из которых прорезана посередине (на оси) широкой стенки волновода, либо обе щели прорезаны симметрично оси, является узкополосным и высокоэффективным излучателем. Добротность такого излучателя-фильтра без потери эффективности излучения может быть повышена путем заполнения щелей диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью. Показано, что расширить полосу пропускания слабоизлучающей продольной щели в широкой стенке волновода путем замены ее сдвоенной щелью не представляется возможным. На примере двух пар продольных сдвоенных щелей различной длины, прорезанных в широкой стенке волновода, продемонстрирована возможность получения в рабочей полосе частот волновода многополосного излучения с высокой добротностью в пределах каждой полосы пропускания.

Исследованы внешние взаимные связи излучателей в двумерной решетке. Получены данные по уровню энергии, передаваемой через щели по внешнему пространству из активного волновода в пассивные, образующие двумерную решетку. Показано в какой степени изменяется КСВН на входах различных линеек решетки.

Основные теоретические результаты в работе подтверждены экспериментально.

Ключевые слова: электромагнитная волна, волновод, щель, излучатель, волноводно-щелевая решетка, поляризация.

SUMMARY

Blinova N.K. Electromagnetic waves scattering on slot systems in waveguides with arbitrary loads.-Manuscript.

Thesis for candidate's degree by speciality 01.04.03 – Radio Physics.-V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv,2003.

The dissertation is devoted to the investigation of electromagnetic waves scattering on the slot systems in rectangular waveguides with arbitrary end loads. The scattering characteristics of linear gratings of longitudinal slots, doubled ones and cross-like slots are investigated accounting waveguide wall thickness and dielectric filling of slots. The two-dimensional phased waveguide-slot gratings are studied as well. Investigations are fulfilled using specially modified in the dissertation method of successive approximations. It is shown that the antenna matching with feeder may be improved, pattern side lobes reduced, axis ratio of circularly polarized field increased by means of choosing in a proper way the reflectivity coefficient from the end load. It was discovered that the pass-band of a doubled slot may be wider or narrower than one of a single slot depending on its position on a waveguide wall. The doubled slot positioned near waveguide broad