Отражательные антенные решетки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«Южный федеральный университет»
Инженерно-технологическая академия

В.А. ОБУХОВЕЦ

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ 

АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Таганрог

Издательство Южного федерального университета 

2016

УДК 621.396.67
ББК  32.845
О - 266

Печатается по решению редакционно-издательского 

совета Южного федерального университета

Рецензенты:

зав. кафедрой «Связь на железнодорожном транспорте» Ростов
ского государственного университета путей сообщения (РГУПС), кандидат технических наук, доцент Х.Ш.Кульбикаян;

зав. кафедрой информационной безопасности телекоммуни
кационных систем ЮФУ, доктор технических наук, профессор К.Е. 
Румянцев.

Обуховец В.А. 

О - 266
Отражательные антенные решетки: монография / 

В.А. Обуховец; Южный федеральный университет. –
Таганрог: Издательство Южного федерального 
университета, 2016. – 292 с.

ISBN 978-5-9275-2147-0

Работа посвящена методам моделирования отражательных антен
ных решеток. На основе матричной теории антенных решеток разработаны численные методы анализа и синтеза решеток с небольшим количеством излучателей. Для многоэлементных решеток из микрополосковых излучателей рассмотрен анализ методом интегральных уравнений. Приведены примеры практического применения отражательных 
решеток.

Книга может быть полезна научным работникам, аспирантам и 

студентам магистратуры.

ISBN 978-5-9275-2147-0                                         УДК 621.396.67

ББК 32.845

© Южный федеральный университет. 2016
© Обуховец В.А. 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………..
7

1. Модели отражательных антенных  решеток и синтез 
токов в излучателях…………………………………………
10

1.1. Классификация и обобщенная физическая
модель ОАР……………………………….…………………
10

1.2. Постановка задач конструктивного синтеза отражательных антенных решеток ……………...........…………….
20

1.3. Синтез распределения токов на излучателях отражательной антенной решетки какзадача оптимизации с
ограничениями…………………………..……………..….…
25

1.4. Итерационные способы коррекции полученных решений…………………………………………..……………
40

1.5. Формулировка требований к диаграммообразующей 
схеме……………………………………………….………..
52

Выводы……………………….……………………..………
56

2. Синтез диаграммообразующих схем 
отражательных антенных решеток ………………...........
58

2.1. Диаграммообразующие схемы отражательного типа 
и проблема их синтеза на СВЧ………………………..….
58

2.2. Декомпозция и анализ ДОС для решеток с циклической симметрией………………..………..……………….
62

2.3. Регулярный метод синтеза ДОС из четырехполюсных базовых элеметов……………………............................
77

2.4. Синтез ДОС на основе направленных 
восьмиполюсников………………………………………....
92

2.5. Эвристический синтез Д ОС ………………………
107

2.6. Многослойные диэлектрические линзы в качестве 
диаграммообразующих схем оптического типа …….........
116

2.7. Оценка устойчивости решения и способы регуляризации задач конструктивного синтеза отражательных 
антенных р е ш е т о к ……………………………...............
138

Выводы………………………………………………………
142

3. Моделирование многоэлементных отражательных антенных решеток с регулируемым  рассеянием…………..
144

3.1. Описание физической модели……………………......
144

3.2. Математическое моделирование излучателя ОАР методом интегральных уравнений………………..………..
151

3.3. Система интегральных уравнений излучающей решетки проходного типа………………………..……….…..
164

3.4. Алгоритмизация решения системы интегральных  
уравнений……………………………………………………
170

3.5. Пути совершенствования модели для решеток 
усложненной конструкции……………………………..….
178

3.6. Примеры численных результатов моделирования отражательных антенных решеток……………….…………..
189

Выводы……………………………………………………….
212

4. Вопросы применения отражательных антенных 
решеток……………………………………..…………..……
214

4.1. Потенциальные возможности решеток……………..…
214

4.2. Микрополосковые отражательные антенные решетки 
в качестве фазокорректирующих рефлекторов...................
217

4.3. ФАР проходного типа с оптической схемой питания 
на основе печатных решеток………………………………
225

4.4. Устройства поляризационной селекции и трансформации на основе многоэлементных печатных решеток….
231

4.5. Углочастотная селекция с помощью многоэлементных печатных решеток………………...................................
234

4.6. Полосковые антенные решетки с управляемыми элементами……………………………………………………..
236

4.7. Интерполяционный синтез частотно-селективных 
микрополосковых решеток…………………………..…….
4.8. Управление признаками распознавания радиолокационных целей с помощью дифракционных решеток….
Выводы ……………………………………………………..

237

244
252

Заключение………………………….………………………
253

Библиографический список………………………………..
255

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И
СОКРАЩЕНИЙ

ДН – диаграмма направленности
КНД – коэффициент направленного действия
КПД – коэффициент полезного действия
УБЛ – уровень боковых лепестков
АР – антенная решетка
ФАР – фазированная антенная решетка
ОАР – отражательная антенная решетка
САПР – система автоматизированного проектирования
ЭМВ – электромагнитная волна
ДОС – диаграммообразующая схема
ЧСС – частотно-селективная структура
СВЧ – сверхвысокочастотный
МПЭ – микрополосковый элемент
МПИ – микрополосковый излучатель
МПА – микрополосковая антенна
ЧСС – частотно-селективная структура
ФЧХ – фазо-частотная характеристика
ЭПР – эффективная поверхность рассеяния

ВВЕДЕНИЕ

Антенными решетками (АР) принято называть совокуп
ность отдельных излучателей (элементов антенной решетки), 
образующих общую антенную систему. Общеизвестны отличительные свойства АР по сравнению с обычными антеннами [1]. 
К их числу в первую очередь следует отнести возможность 
обеспечения сканирования луча в пространстве; возможность 
быстро и гибко изменять диаграмму направленности АР, формировать управляемые "нули"; возможность получения в режиме передачи очень высоких уровней излучаемой мощности, а в 
режиме приема - существенного повышения чувствительности 
всей приемной системы; возможность осуществления обработки 
сигналов непосредственно в антенной системе и другие.

Принципы построения АР известны с конца 20-х гг. нашего 

столетия. Однако практическая реализация АР была долгие годы 
почти неосуществимой в силу целого ряда причин, связанных с 
работой на достаточно низких частотах, со сложностью и громоздкостью антенных сооружений и систем возбуждения излучателей, с отсутствием малоинерционных электрически регулируемых фазовращателей и электронных систем управления. Но и 
после освоения сверхвысоких частот, появления быстродействующих фазовращателей, малошумящих усилителей, создания 
микропроцессорных систем управления, разработки современных технологий очень высокая стоимость антенных решеток 
является главным препятствием на пути их более широкого 
внедрения в практику.

Наиболее значительный вклад в общую стоимость АР вно
сят большое количество дорогостоящих приемопередающих модулей, система питания (возбуждения) и система управления 
антенной решеткой [2].

Каждый модуль решетки включает в себя: излучатель, фа
зовращатель, двунаправленный усилитель, согласующие и развязывающие устройства. Достаточно сложны конструкции и современных полупроводниковых дискретных фазовращателей. 
По сообщениям зарубежной печати на сегодняшний день даже 
применение самых современных технологий   при серийном выпуске подобных приемопередающих модулей антенных решеток 

не позволяет снизить себестоимость одного такого интегрального модуля ниже 1000 – 400 долларов на самых передовых фирмах США. А в состав решетки может входить до сотен тысяч 
модулей.

Кроме того, разработка и производство систем питания, 

включающих в себя делители (сумматоры) мощности, фазовращатели, коммутаторы представляют серьезную проблему, во 
многом определяющую общую стоимость всей антенной системы. Изготовление делителей мощности с согласованными и развязанными между собой входами для решеток с большим числом излучателей связано с использованием сложных и дорогостоящих технологий проектирования, изготовления и отладки 
подобных СВЧ-схем. Неизбежным злом,  с которым приходится 
при этом мириться, является высокий уровень потерь энергии в 
системе возбуждения. Это, в свою очередь, приводит к необходимости применения высокоэффективных (а значит - и дорогостоящих) усилителей, компенсирующих потери энергии [3]. Перечисленные особенности являются причиной того, что современные радиотехнические комплексы с фазированными антенными решетками, реализующими основную часть своих потенциальных возможностей, представляют собой уникальные по 
сложности и стоимости разработки.

Вместе с тем, используя упрощенные варианты построения 

антенных решеток, осуществляющих только некоторую часть из 
их многочисленных возможностей, в ряде случаев удается получить относительно недорогие конструкции, обладающие теми 
или иными достоинствами антенных решеток. Яркими примерами упрощенных вариантов могут служить решетки, возбуждаемые полем бегущей волны (волноводно-щелевые, микрополосковые, антенны типа «волновой канал»), решетки с системами 
возбуждения оптического типа, решетки с пассивными элементами и т.п.

Таким образом, актуальной представляется проблема разра
ботки методов проектирования и создания антенных систем, 
способных реализовать потенциальные возможности (пусть не 
полный набор, но большую их  часть), свойственные фазированным антенным решеткам, но более простых и дешевых.

Особое место среди упрощенных конструкций занимают 

отражательные антенные решетки (ОАР). Во-первых, степень 
упрощения в них очень велика, поскольку входные и выходные 
зажимы в решетке совмещены. Как правило, стоимость ОАР 
значительно ниже обычных антенных решеток так называемого 
проходного типа. Во-вторых, некоторые варианты ОАР обладают специфическими возможностями, не достижимыми при использовании других типов антенных систем.

Наиболее перспективной является полосковая технология 

изготовления отражательных антенных решеток. В этом случае 
ОАР не только обладает минимально возможными массой и габаритами, но и может быть выполнена как конформная решетка. 
Нагрузочный многополюсник также может быть изготовлен в 
виде полосковой платы и размещаться в соседнем слое в непосредственной близости от элементов ОАР. Аналогичная печатная плата осуществляет подводку управляющих сигналов на 
элементы ОАР. Подобные конструкции ОАР делают их незаменимыми в качестве бортовых антенных систем летательных аппаратов.

Микрополосковые дифракционные решетки находят прак
тическое применение не только как самостоятельные антенные 
системы, но и как ряд важных СВЧ устройств первичной обработки сигналов, управления поляризационными свойствами, частотной и угловой селекции [4] - [6]. На их основе создают радиолокационные отражатели и покрытия с изменяемыми свойствами. Особенности технологии из производства позволяют 
создавать так называемые конформные решетки.

Разработка и проектирование ОАР требуют создания каче
ственных математических моделей решеток, адекватно описывающих физические процессы с учетом конструктивных особенностей. Модели должны быть универсальными, пригодными 
для анализа характеристик ОАР различных типов и обеспечивать требуемую степень точности расчетов с минимально возможными вычислительными затратами. Последнее условие 
необходимо для обеспечения условий построения систем    автоматизированного или даже автоматического [7] - [8] проектирования ОАР.

Ввиду высокой степени сложности физических процессов, 

происходящих в ОАР и описывающего их математического аппарата традиционный подход к созданию САПР, работающей в 
режиме диалога «человек-компьютер», сегодня не приемлем. В 
основу системы проектирования необходимо заложить алгоритмы синтеза разрабатываемых ОАР, обеспечивающих не просто 
перебор номиналов элементов в надежде приблизиться к желаемому результату, а целенаправленный поиск оптимального набора параметров ОАР по заданным требованиям к ней. При этом 
решение задачи конструктивного синтеза в отличие от «классических» задач синтеза дает ответ не только на вопрос, какими 
должны быть комплексные амплитуды токов на входных зажимах излучателей, но и на вопросы, с помощью каких устройств и 
при каких номиналах элементов этих устройств необходимые 
токи могут быть сформированы.

Настоящая монография состоит из четырех разделов. Пер
вые два из них посвящены анализу и синтезу отражательных 
антенных решеток и диаграммообразующих схем при относительно небольшом количестве излучателей. Основной математический аппарат, используемый для анализа и синтеза, базируется на теории цепей СВЧ-диапазона и теории матриц.

В третьем разделе книги представлена теория периодиче
ских микрополосковых решеток. Подход, основанный на теории 
периодических структур, традиционно применяется для расчетов решеток с большим числом излучателей. Это позволяет 
применить для вычисления распределения полей и токов в решетке метод интегральных уравнений, обеспечивающий высокую точность расчетов.

Четвертый раздел посвящен рассмотрению ряда примеров 

применения отражательных антенных решеток в микрополосковом исполнении. Численные эксперименты на модели, рассмотренной в третьем разделе, показывают возможность создания на 
базе микрополосковых решеток достаточно простых и недорогих СВЧ-устройств, позволяющих реализовать частотную, угловую и поляризационную селекцию, а также создавать системы с 
управляемым рассеянием.

1.
МОДЕЛИ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ
РЕШЕТОК И СИНТЕЗ ТОКОВ В ИЗЛУЧАТЕЛЯХ

1.1. Классификация и обобщенная физическая модель

ОАР

1.1.1. Отражательные антенные решетки, отличаясь кон
структивной простотой и пониженной по сравнению с традиционными проходными антенными решетками стоимостью,  обладают большей частью их достоинств. ОАР позволяют реализовать 
режим сканирования,  управления формой диаграммы направленности (ДН),  формирования многолучевой ДН;  на основе ОАР 
возможны обработка сигналов,  построение адаптивных решеток 
и т.п.

В настоящее время не существует  четкого определения от
ражательных антенных решеток,  позволяющего сформулировать 
принадлежность антенной системы к классу ОАР. Обычно к их 
числу относят ряд общеизвестных конструкций [6, 51]. В первую 
очередь - это антенные решетки ( в том числе сканирующие),  построенные с использованием распределителей питания оптического типа [1]. Такие решетки (рис.1.1) представляют собой систему излучателей, нагруженных несвязанными между собой отражательными фазовращателями и возбуждаемых полем падающей волны облучателя. По существу ОАР этого типа  являются 
аналогами зеркальных антенн. Такой же схемой могут описываться и ОАР, применяемые для управления полем рассеяния, например, для снижения эффективной поверхности рассеяния объектов 
[51, 55-57], для систем передачи информации, для построения радиолокационных буев [268].

Другим примером ОАР является решетка Ван-Атта. В этой 

решетке симметрично расположенные относительно ее центра 
излучатели связаны попарно между собой отрезками линий передачи одинаковой длины (рис.1.2).