лабы / лаба 111 / m_th_a.a.bourenkov_2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт радиоэлектроники и информационных технологий – РтФ Кафедра высокочастотных средств радиосвязи и телевидения

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК

Зав. кафедрой ВЧСРТ

( подпись)

«_____»_________________2016 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ЩЕЛЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Пояснительная записка ИРИТ.110401.105 ПЗ

Екатеринбург

2016

СОДЕРЖАНИЕ

1 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО

2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗМЕРОВ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ

3.1 Моделирование резонансной волноводной щелевой антенной решетки

4 ВЛИЯНИЕ УТРАТЫ ЭЛЕМЕНТА НА ХАРАКТЕРИСТКИ АНТЕННОЙ

4.1 Влияние утраты элементов на диаграмму направленности антенной

4.2 Влияние утраты элементов на коэффициент отражения волноводно-

4

ВВЕДЕНИЕ

Исследовалась возможность построения высокодобротной антенны для использования на летательном аппарате малых габаритов. Основными требо-

ваниями к антеннам такого применения являются аэродинамические (не вы-

ступающие) и механические (высокая стойкость к вибрациям, к большим ускорениям, в том числе ударным). Антенна должна размещаться на неплос-

кой поверхности и иметь минимальные габариты (в том числе и по схеме пи-

тания). Антенна должна иметь одинаковые конструктивные исполнения в верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. К антен-

нам, наиболее удовлетворяющими этим требованиям, относятся волноводно-

щелевые антенные решетки. Они обладают достаточной механической и электрической прочностью, высокими аэродинамическими характеристика-

ми, простой схемой питания.

Диаграмма направленности должна быть ориентирована под углом к направлению вектора скорости летательного аппарата. Поэтому рассматри-

вается возможность использования резонансных решеток на не резонансной частоте и нерезонансных решеток, которые работают в режиме сканирова-

ния. Исходя из требований к диаграмме направленности и большим требова-

ниям габаритам, бортовые решетки имеют небольшое число щелей. Исходя из этого, рассматриваются линейные решетки из четырех и шести щелей. Пе-

реход на более высокие частоты позволяет использование волноводов мень-

шего сечения и, как следствие, использовать на летательных аппаратах меньших размеров.

Наибольший интерес представляет резонансная решетка, поскольку она имеет высокую добротность и стабильное излучение по нормали. Предвари-

тельные расчеты таких решеток выполнены энергетическим методом обще-

принятым в инженерной практике. Данный метод обладает достаточно высо-

кой точностью при расчете именно резонансных волноводно-щелевых антен-

5

ных решеток или решеток бегущей волны с настраиваемыми щелями. Для расчета антенн бегущей волны с ненастроенными щелями данный метод дает большие погрешности. Недостатком энергетического метода является то, что он не позволяет достаточно точно учесть влияние конструктивных особенно-

стей таких антенн: толщину стенки волновода, наличие герметизирующих и защитных покрытий, не идеальность проводимости металла, отличие формы щелей от прямоугольной. По этим причинам является обоснованным точное электродинамическое моделирование щелевых волноводных решеток разно-

го вида, с целью его использования для уточнения результатов инженерных расчетов.

В качестве модельной задачи использовалась щелевая решетка на ос-

нове стандартного трехсантиметрового волновода R-100 с сечением 23 на 10

миллиметров. Одной из причин выбора решеток на таком волноводе является наличие экспериментальных макетов позволяющие снять их характеристики в лабораторных условиях. Волновод моделируется из материала с высокой проводимостью. Основными задачами при моделировании данной решетки являются:

а) Исследование влияния утраты элемента антенной решетки (напри-

мер, в результате воздействия мощного электромагнитного импуль-

са) на характеристики всей решетки;

б) Исследование влияния частоты на характеристики волноводно-

щелевой антенной решетки;

в) Исследование влияния покрытия поверхности антенной решетки слоем диэлектрика.

6

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЛНОВОДНО-

ЩЕЛЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Для моделирования использовалась специализированная программа

Ansoft HFFS 15.0. HFSS (High Frequency Structural Simulator). HFSS – интер-

активный пакет программ для вычисления электромагнитного поведения структуры. Программное обеспечение включает команды последующей об-

работки для анализа этого поведения подробно. Расчет производится мето-

дом конечных элементов. Смысл метода заключается в разбиение простран-

ства распространения электромагнитная волна, на простейшие элементы, в

форме тетраэдров. Размер тетраэдра должен быть достаточно мал для того,

чтобы поле можно было описать простой функцией или набором функций с неизвестными коэффициентами. Эти коэффициенты ищутся из уравнений Максвелла и граничных условий. Электродинамическая задача сводится к системе линейных алгебраических уравнений относительно этих коэффици-

ентов. Тетраэдры влияют на точность определения поля и на точность ап-

проксимации структуры, так как происходит искажение некоторых элемен-

тов.

Существуют определенные противоречия между желаемой точностью вычисления, размерами ячеек и имеющимися компьютерными ресурсами.

Точность решения зависит от размеров тетраэдров, то есть насколько мала величина каждого из них. Решения с использование большего количества элементов более точны, чем решения выполненные с помощью крупных яче-

ек, но малом количестве элементов. Критерий вариации поля в ее пределах является самым правильным критерием для выбора размеров ячейки. В этом случае поле может быть корректно аппроксимировано линейной функцией.

Скорость изменения поля зависит от рабочей частоты и неоднородности сре-

ды. Однако решение задач с большим количеством ячеек требует применения

7

быстродействующих процессоров и большой оперативной памяти. Для полу-

чения оптимальной ячейки, HFSS, использую интегральный процесс, автома-

тически уменьшает шаг между ячейками в критических областях. Для начало формируется очень грубое разбиение. Далее он уменьшает шаг между ячей-

ками, основываясь на соответствующих критериях погрешности, и генериру-

ет новое решение. Когда разница между вновь посчитанными S-параметрами и найденными на предыдущей итерации сходятся с заданной точностью, ите-

рационный процесс заканчивается.[9]

В данной работе будет исследоваться влияние перекрытия щелей на характеристики антенной решетки. Такие волноводно-щелевые антенные решетки часто используются на летательных аппаратах и поэтому они по-

крываются радиопрозрачным материалом, обычно керамикой. Поэтому будет исследоваться влияние покрытия антенной решетки диэлектриком с относи-

тельной диэлектрической проницаемостью равной 10.

8

2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗМЕРОВ ВОЛНОВОДНО-

ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

2.1 Расчет диаграммы направленности волноводных щелевых антенных решеток

Диаграмма направленности одиночной щели в плоском бесконечном экране можно определить, используя принцип двойственности. Волновод яв-

ляется экраном ограниченных размеров сложной формы, однако, в плоско-

сти, проходящей через ось волновода, где размеры экрана велики по сравне-

нию с длиной волны, можно использовать приближенно формулы (2.1) и (2.2).

а) Плоскость Н (для продольных щелей)

б) Плоскость Е (для поперечных и наклонных щелей)

( ) 1, (2.2)

где: F(θ) – нормированная диаграмма направленности одиночной щели; θ – угол отсчета.

Необходимо рассчитать диаграмму направленности антенной решетки из четырех и шести элементов. Для начала рассчитаем по формуле (2.1) и по-

строим диаграмму направленности одной щели. На рисунке 2.1 изображена нормированная диаграмма направленности одиночной щели.

9