3479

4.2. Оптимизация амплитудного распред еления в раскрыве линейной дифракционной антенны КВЧ диапазона волн

При создании радиотехнических систем различного назначения возникает задача увеличения их энергетического потенциала. Одним из путей ее решения является получение максимально возможного коэффициента усиления антенного устройства при заданной площади излучающего раскрыва. Для РТС, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах волн, в качестве критерия оптимизации параметров антенной системы может быть использован критерий максимизации эффективности использования ее апертуры. Рассмотрим реализацию данного критерия для ПАДТ.

Понятно, что физическим способом реализации данного критерия является построение антенны с оптимальным амплитудно-фазовым распределением. При равномерной связи волноведущего элемента с дифракционной решеткой задача сводится к выбору оптимального значения параметра связи L при заданной длине апертуры антенны L . Значения оптимальных величин L для вариантов торцевого и центрального возбуждения ПАДТ приведены в табл. 4.1. При неравномерной связи ПДВ и ДР необходимо обеспечить в раскрыве дифракционной антенны амплитудно-

где S площадь излучающего раскрыва ПАДТ.

Первый множитель в выражении (4.3) представляет собой КИП, а второй – КПД антенны. В знаменателе второго множителя ведется интегрирование аналитического продолжения комплекснозначной функции E x, yпо всей плоскости x, y .

Из теории апертурных антенн известно, что максимальное значение КИП соответствует синфазному равноамплитудному распределению. Соответственно, максимум КПД ПАДТ имеет место при следующем законе обобщенного аплитудно-фазового распределения в излучающем раскрыве:

где ES x, y- напряженность электрического поля в излучающем раскрыве. Описанные в подразделе 4.1.2 конструкции дифракционных антенн

позволяют реализовать разделяющееся по координатам x, yамплитудно-

фазовое распределение: E x, y E1 xE2 y . В этом случае задача

оптимизации (4.3) распадается на две независимые задачи: максимизации эффективности возбуждающего устройства и максимизации эффективности линейного излучающего раскрыва длиной L .

При использовании в качестве излучающей апертуры ПАДТ металлической гребенки, накрытой диэлектриком, последняя задача сводится к нахождению оптимальной зависимости величины прицельного расстояния от продольной координаты y , а для произвольной дифракционной структуры необходимо найти оптимальный закон распределения постоянной вытекания y .

Пусть излучающий дифракционный раскрыв длиной L состоит из N

периодов d . Будем считать, что значение постоянной вытекания в пределах одного периода остается постоянным. Далее будем полагать, что мощность ЭМВ, возбуждающей линейную дифракционную структуру, единичная.

Тогда максимальное значение эффективности ПАДТ получается при выполнении условий синфазности и равенства мощностей ЭМВ, излучаемых с каждого периода структуры. С i-го периода структуры излучается

мощность, равная

Подставляя в (4.5) значения Pподв i и проведя операцию логарифмирования, получаем систему трансцендентных уравнений относительно неизвестных значений постоянных вытекания i

Решение системы (4.6) можно свести к нахождению минимума следующего функционала, проводимому с использованием итерационных антиградиентных методов (в частности, метода наискорейшего спуска)

Однако операция минимизации (4.7) при числе периодов ДР 15 40

требует значительных вычислительных затрат. Поэтому рационально представить зависимость yв виде полинома небольшой степени и свести

вышеназванную операцию к нахождению 2 5 коэффициентов полинома (или разложения в ряд какой-либо монотонно возрастающей функции).

Следует отметить, что техническая реализация неоднородной связи

ПДВ с ДР по найденному оптимальному вектору значений постоянной вытекания усложняется в силу того, что получающаяся зависимость

величины прицельного расстояния от продольной координаты yносит

нелинейный характер (в силу резонансной зависимости , см. главу 3).

Поэтому удобно минимизировать функционал (4.7), варьируя вектором прицельных расстояний (номер строки которого соответствует номеру периода структуры). Наиболее приемлемой формой зависимости прицельного расстояния для технической реализации в ПАДТ является линейная зависимость вида y a y b (при ограничениях a 0

функция должна быть убывающей, т. к. постоянная вытекания возрастает при

уменьшении прицельного расстояния, b 0 прицельное расстояние не может быть отрицательным).

Структурная схема алгоритма оптимизации продольной зависимости прицельного расстояния линейной дифракционной антенны, которая может

выполнять функции возбуждающего устройства ПАДТ КВЧ диапазона волн

(или использоваться в качестве самостоятельного антенного устройства),

показана на рис. 4.18. Для ее реализации может быть использована

математическая модель дифракции плоских Н-поляризованных ЭМВ на

металлической гребенке с диэлектрическим слоем и алгоритм вычисления

дисперсионных характеристик, описанные в главах 2 и 3 учебного пособия.

На рис. 4.19 показано линейное возбуждающее устройство, в котором

экспериментальным путем реализована близкая к оптимальной неоднородная

связь металлической гребенки с диэлектрическим волноводом, описываемая

функцией вида y a y b .

Дифракционная структура возбуждается от КВЧ генератора с

помощью пирамидального рупора. Диапазон рабочих частот антенны - 32 35

ГГц. Прицельное расстояние изменяется в интервале от 5.5 до 0 мм.

Экспериментально измеренная эффективность устройства в рабочей полосе

частот изменяется в пределах от 74 до 86 %. Уровень боковых лепестков

близок к –13 дБ (соответствует равноамплитудному распределению).

В качестве субъективного критерия оценки эффективности создаваемых плоских дифракционных антенн трехсантиметрового диапазона волн используется сравнение качества приема программ спутникового телевизионного и радиовещания с помощью индивидуальной установки СТВР, оснащенной параболической антенной эквивалентной площади. Результаты натурных испытаний показывают, что плоские дифракционные антенны могут успешно конкурировать с параболическими антеннами, используемыми в системах СТВР.

Ввод исходных данных:

тип дифракционной структуры; длина излучающей апертуры L ;

диапазон рабочих частот fmin , f max ; период структуры d .

Табуляция зависимости постоянной вытекания от частоты в заданном рабочем диапазоне f min , f max и от прицельного

расстояния в интервале 0, max (максимальное значение

физической реализуемости ПАДТ).

Вычисление коэффициентов полиномиального представления зависимости u f , . Степень полинома выбирается в пределах от 2 до 5 (по каждой координате).

Задание функции u f , a,b , где a, b – неизвестные коэффициенты, определяющие оптимальную продольную зависимость y a y b .

Задание начальных значений a, b исходя из условий физической реализуемости продольной зависимости прицельного расстояния. Выбор относительной погрешности вычисления оптимальных

значений неизвестных коэффициентов a, b - a пред, b пред .

нет

Окончание

Рис. 4.18. Алгоритм оптимизации параметра связи линейной антенны

Рис. 4.19. Линейное возбуждающее устройство на основе

металлической гребенки с диэлектрическим волноводом

ПАДТ, предназначенные для приема электромагнитных волн с фиксированной линейной (вертикальной) поляризацией (рис. 4.20), построены на основе одномерно-периодичной металлической гребенки, накрытой слоем диэлектрика (листового полиэтилена). Принцип работы антенн (в режиме приема излучения) заключается в эффективном преобразовании падающей плоской электромагнитной волны в (-1)-ю пространственную гармонику Флоке, являющуюся поверхностной волной,

которая направляется диэлектрическим волноводом к линейному устройству возбуждения дифракционного типа.

Рис. 4.20. ПАДТ для приема программ СТВР:

а) на территории России; б) в условиях Западной Европы

Технические характеристики ПАДТ, изображенных на рис. 4.20,а,б, приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Технические характеристики ПАДТ с фиксированной линейной поляризацией

Габариты и масса антенн не оптимизированы. Антенна, изображенная на рис.4.20,а, обеспечивает высококачественный прием спутниковых ТВ программ

(World Net, TV 5, Rai Uno, Rai Due, Inter Star и других) в районе,

соответствующем географическим координатам г. Воронежа.

Пример конструктивного исполнения плоской дифракционной антенны 3-х сантиметрового диапазона волн с электронным управлением поляризационной чувствительностью, позволяющей плавно изменять ориентацию плоскости линейной поляризации в пределах от 00 до 3600, показан на рис. 4.21. В антенне существует также возможность перехода на прием волн с круговой поляризацией правого или левого направления вращения при наличии между ПАДТ и поляризатором поляризационнозависимой фазирующей секции. В качестве излучающей апертуры ПАДТ используется двумерно-периодичная металлическая дифракционная решетка «гребенка», накрытая диэлектриком; возбуждающим устройством служат четыре рупорно-щелевые антенны с углом раскрыва 900 каждая (см. главу 2). Элемент электронного управления ориентации плоскости поляризации – стандартный поляризатор ФПП-4.