Апертурные антенны в печатном исполнении. Методы проектирования и области применения

Оглавление

1 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. О. КАСЬЯНОВ

АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ

В ПЕЧАТНОМ ИСПОЛНЕНИИ. 
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021

 

 

Оглавление

2 

УДК 621.396.67
ББК 32.845

К289

Выписка из протокола заседания экспертного совета 

«Инженерные науки» № 5 от 1 июня 2020 г.

Рецензенты:

профессор кафедры информатики и информационных таможенных 
технологий Ростовского филиала Российской таможенной академии, 

доктор технических наук, доцент П. Н. Башлы

заведующий кафедрой радиофизики ЮФУ, 

доктор физико-математических наук, профессор Г. Ф. Заргано

Касьянов, А. О.

К289 
Апертурные антенны в печатном исполнении. Методы проектирова
ния и области применения : монография / А. О. Касьянов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 203 с.

ISBN 978-5-9275-3762-4
DOI 10.18522/801274252
Рассмотрены вопросы разработки апертурных антенн в печатном исполне
нии; а также вопросы их электродинамического моделирования, системы автоматизированного проектирования и области применения таких электродинамических структур. Особое внимание уделено вопросам разработки адекватных математических моделей для них с учетом возможности их комплексного использования в современных радиоэлектронных системах, например, для создания зеркальных антенн с плоскими рефлекторами, планарных линз, печатных фазированных антенных решеток и т.д. Описан комплекс вычислительных программ автоматизированного проектирования апертурных антенн в печатном исполнении. 
Исследованы электродинамические характеристики антенн данного класса и даны рекомендации для их автоматизированного проектирования. Теоретические 
материалы подкреплены результатами экспериментальных исследований и примерами расчетов. Работа представляет интерес для инженеров, научных работников, аспирантов и магистрантов.

УДК 621.396.67

ББК 32.845

ISBN 978-5-9275-3762-4

© Южный федеральный университет, 2021
© Касьянов А. О., 2021
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2021

 

 

Оглавление

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ……
7

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………...
10

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАР ПРОХОДНОГО ТИПА В ПЕЧАТНОМ ИСПОЛНЕНИИ ………………………………...
17

1.1. Плоские линзовые антенны на основе решеток печатных элементов ………………………………………………………………….
17

1.1.1. ФАР проходного типа с оптической схемой питания ……...
17

1.1.2. Плоские фокусирующие радиолинзы на основе частотноизбирательных поверхностей …………………………………………...
18

1.1.3. Типы плоских микрополосковых радиолинз ……………………
18

1.1.4. Применение плоских радиолиз на основе печатных ФАР в 
качестве антенных систем с обработкой сигналов ……………….
20

1.1.5. Плоские печатные микроволновые линзы типа «антеннафильтр-антенна» (Antenna-Filter-Antenna) …………………………..
22

1.1.6. Плоские линзовые антенны с перестраиваемой топологией 
печатных элементов ………………………………………………………
23

1.2. Электродинамическое моделирование плоской спирафазной 
фокусирующей радиолинзы на основе решеток печатных элементов
26

1.2.1. Принцип работы плоской спирафазной фокусирующей 
линзы …………………………………………………………………………
26

1.2.2. Математическая модель плоской спирафазной фокусирующей линзы ………………………………………………………………….
28

1.2.3. Результаты численного моделирования спирафазных антенных решеток и плоской линзовой антенны в целом ……………
34

1.2.4. Результаты экспериментальных исследований печатных 
спирафазных отражательных антенных решеток и плоской 
линзовой антенны на их основе …………………………………………
43

1.3. Применение печатных отражательных решеток для создания
микроволновых линз с улучшенными характеристиками ………….
49

1.3.1. Постановка задачи ………………………………………………...
49

1.3.2. Принцип работы «свернутой» фокусирующей линзы ………
50

 

Оглавление

4 

1.3.3. Построение «свернутой» фокусирующей линзы на основе
печатных антенных решеток отражательного типа ……………
52

Выводы ………………………………………………………………...
58

ГЛАВА 2. ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ С ПЛОСКИМИ РЕФЛЕКТОРАМИ НА ОСНОВЕ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ………………………………….
62

2.1. Принципы функционирования, конструкции и применения
однослойных микрополосковых ОАР ……………………………….
62

2.1.1. Общая характеристика …………………………………………..
62

2.1.2. Микрополосковые ОАР из одинаковых переизлучающих печатных элементов со шлейфами, имеющими различную длину ….
63

2.1.3. Микрополосковые ОАР из переизлучающих печатных элементов одинаковой формы, различающихся размерами …………..
64

2.1.4. Микрополосковые ОАР с подвижными элементами ………..
65

2.1.5. Микрополосковые дифракционные решетки, фокусирующие рассеянное поле в направлениях незеркального отражения ..
65

2.1.6. Плоские рефлекторы, выполненные по принципу антенн 
Френеля ………………………………………………………………………
66

2.2. Конструктивный синтез зеркальной антенны с рефлектором в 
виде плоской решетки печатных излучателей ………………………
67

2.2.1. Плоский печатный фазокорректирующий рефлектор ……..
67

2.2.2. Электродинамическая модель плоского печатного ФКР ….
68

2.2.3. Выбор конструкции ФКР по результатам численного исследования …………………………………………………………………...
69

2.3. Комплекс программ электродинамического анализа отражательных АР …………………………………………………………….
77

2.3.1. Схема построения и краткая характеристика программного комплекса в целом ……………………………………………………
77

2.3.2. Конструктивный синтез микрополосковых отражательных антенных решеток …………………………………………………..
79

2.3.3. Численный пример ………………………………………………….
82

2.4. Экспериментальное исследование макетов зеркальных антенн
с плоскими ФКР ……………………………………………………….
87

2.5. Разработка сканирующих антенных систем на основе ЗА с
плоскими ФКР …………………………………………………………
89

Оглавление

5 

2.6. Диапазонные свойства ЗА с рефлектором в виде плоской МДР 
92

2.7. Расширение функций плоского фазокорректирующего рефлектора при включении импедансных нагрузок ………………………..
93

2.7.1. Постановка задачи расширения функций плоского ФКР ….
93

2.7.2. Расширение диапазона изменения фазовых задержек ……..
94

2.7.3. Расширение полосы рабочих частот …………………………..
97

2.7.4. Разработка фазокорректирующего твист-рефлектора ….
99

2.7.5. Сканирующий фазокорректирующий рефлектор …………...
101

Выводы ………………………………………………………………...
102

ГЛАВА 3. ДВУХЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ С ПЛОСКИМИ РЕФЛЕКТОРАМИ
НА
ОСНОВЕ
МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРА
ЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК …………………………….
104

3.1. Принцип работы и области применения ДЗА на основе микрополосковых ОАР ………………………………………………………
104

3.2. Методы анализа двухзеркальных антенн на основе микрополосковых ОАР …………………………………………………………
107

3.2.1. Методики расчета фазокорректирующих отражательных печатных решеток …………………………………………………..
107

3.2.2. Спектральный анализ вибраторной отражательной решетки, устанавливаемой на вспомогательном рефлекторе многозеркальной антенны в печатном исполнении ……………………..
108

3.2.3. Методики проектирования основного плоского рефлектора свернутой ОАР ………………………………………………………….
111

3.2.4. Приближенный расчет направленных свойств ДЗА на основе печатных ОАР ………………………………………………………..
112

3.3. Электродинамическое моделирование двухзеркальных антенн
на основе микрополосковых ОАР ……………………………………
115

3.3.1. Математическая модель ДЗА Кассегрена в виде печатной 
отражательной АР ……………………………………………………….
115

3.3.2. Топологии элементов ОАР фазокорректирующего твистрефлектора ДЗА Кассегрена …………………………………………….
116

3.3.3. Конструктивный синтез топологии элементов ОАР основного зеркала на основе электродинамического моделирования 
рассеяния волн ФКТР свернутой ДЗА Кассегрена ………………….
119

Оглавление

6 

3.3.4. Расчет вспомогательного плоского зеркала ДЗА Кассегрена
126

3.3.5. Печатные частотно-избирательные решетки, помещенные между сверхтонкими плоскими диэлектрическими слоями 
укрытия и подложки ……………………………………………………...
131

3.4. Методика конструктивного синтеза печатного фазокорректирующего твист-рефлектора с улучшенными характеристиками …..
132

3.4.1. Постановка задачи ………………………………………………...
132

3.4.2. Определение основных параметров отражательной решетки ФКТР ………………………………………………………………..
135

3.4.3. Конструктивный синтез ФКТР на основе решения электродинамических задач …………………………………………………..
138

3.5. Результаты конструктивного синтеза топологии элементов ОАР 
основного зеркала ………………………………………………………
149

3.6. Расчет вспомогательного плоского зеркала ДЗА Кассегрена …
156

3.7. Расчет характеристик направленности ДЗА, выполненных из 
многоэлементных плоских микрополосковых ОАР ………………..
159

Выводы ………………………………………………………………...
168

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ
ФАЗИРОВАННОЙ

АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ ЗАДАЧ …………………………………………………...
170

4.1. Предпосылки к разработке вопроса исследования режима ФАР
170

4.2. Эффект «ослепления» микрополосковой ФАР ……….………...
170

4.3. Методики определения углов «ослепления» микрополосковых 
ФАР ……………………………………………………………………...
171

4.4. Применение математической модели микрополосковой ОАР ..
172

4.5. Численные результаты …………………………………………...
175

Выводы ………………………………………………………………...
182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………….
184

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………...
188

 

Оглавление

7 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ 

ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

AFA – Antenna-Filter-Antenna
LMDS – Local Multipoint Distributive Service
MEMS – микроэлектромеханический ключ
АР – антенная решетка
АФАР – активная фазированная антенная решетка
АФР – амплитудно-фазовое распределение
БЛ – боковой лепесток
БФТ – базисная функция тока
ГА – генетический алгоритм
ГО – геометрическая оптика
ДЗА – двухзеркальная антенна
ДОС – диаграммообразующая схема
ДЛА – дискретная линзовая антенна
ДН – диаграмма направленности
ДПФ – дискретное преобразование Фурье
ДСК – декартовая система координат
ЗА – зеркальная антенна
ИУ – интегральное уравнение
КВЧ – крайне высокие частоты
КБ – конструкторское бюро
КЗ – короткое замыкание
КЗ – короткозамыкатель
КИП – коэффициент использования поверхности
КО – коэффициент отражения
КСВ – коэффициент стоячей волны
КУ – коэффициент усиления
КП – коэффициент прохождения
КПД – коэффициент полезного действия
ЛА – линзовая антенна
ЛЗ – линия задержки
ЛП – линия передачи
МАР – микрополосковая антенная решетка

 

Список принятых обозначений и сокращений

8 

МДР – микрополосковая дифракционная решетка
МКДВ – микроволновый диапазон длин волн
ММ – математическая модель
ММВ – миллиметровые волны
МПА – микрополосковая антенна
МПВ – микрополосковый вибратор
МПИ – микрополосковый излучатель
МППИ – микрополосковый переизлучатель
МПЛ – микрополосковая линия передачи
МПОАР – микрополосковая отражательная антенная решетка
МПР – микрополосковая решетка
МПФАР – микрополосковая фазированная антенная решетка
МПЭ – микрополосковый элемент
МШУ – малошумящий усилитель
НИИ – научно-исследовательский институт
НПЛ – несимметричная полосковая линия передачи
ОАР – отражательная антенная решетка
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ПА – печатная антенна
ПЛП – полосковая линия передачи
ПМР – поляризационная матрица рассеяния
ППФ – полосно-пропускающий фильтр
ПФ – поляризационный фильтр
ПЭ – печатный элемент
СВЧ – сверхвысокие частоты
СЛАУ – система линейных алгебраических уравнений
ССК – сферическая система координат
УБЛ – уровень боковых лепестков
УЭ – управляющий элемент
ФАР – фазированная антенная решетка
ФВ – фазовращатель
ФКР – фазокорректирующий рефлектор
ФКТР – фазокорректирующий твист-рефлектор
ФС – фокусирующая система
ФЦ – фазовый центр

Список принятых обозначений и сокращений

9 

ФЧХ – фазочастотная характеристика
ФХ – фазовая характеристика
ХН – характеристика направленности
ХХ – холостой ход
ЧИП – частотно-избирательная поверхность
ЧИР – частотно-избирательная решетка
ЧХ – частотная характеристика
ЭВМ – электронная вычислительная машина
ЭД – электродинамический
ЭДС – электродинамическая структура
ЭДХ – электродинамические характеристики
ЭМВ – электромагнитная волна
ЭМП – электромагнитное поле
ЭПР – эффективная площадь рассеяния

 

Список принятых обозначений и сокращений

10 

Светлой памяти моего учителя

Бориса Михайловича Петрова 

посвящается

ВВЕДЕНИЕ

Одной из тенденций развития антенн СВЧ- и КВЧ-диапазона для 

коммерческих приложений является поиск альтернативы параболическим 
антеннам, где требуются компактные плоские антенны с высоким коэффициентом усиления, пригодные для массового производства. Всем этим 
требованиям вполне удовлетворяют весьма технологичные микрополосковые антенные решетки, низкая стоимость элементов которых дает им 
дополнительные конкурентные преимущества при их использовании в 
коммерческих приложениях.

Помимо снижения стоимости антенных решеток (АР) за счет ис
пользования более дешевых излучателей, также имеется возможность 
использования при построении АР более экономичных распределительных систем. Поэтому актуальна разработка многоэлементных фазированных антенных решеток (ФАР), модули которых, с одной стороны, легко 
интегрируются с фазовращателями, малошумящими усилителями и усилителями мощности, генераторами и микрокомпьютерными системами, а 
с другой – таких антенных систем, которые способны реализовывать потенциальные возможности, свойственные ФАР [1], но с существенно более простыми и дешевыми распределительными системами. Перечисленным требованиям вполне удовлетворяют микрополосковые отражательные антенные решетки [2], поскольку, во-первых, благодаря совмещению входных и выходных зажимов излучателей (переизлучателей), в 
них достигается существенное упрощение распределительной системы, а 
во-вторых, из-за того, что в качестве излучающих (переизлучающих) элементов используются печатные антенны, легко стыкующиеся с интегральными схемами СВЧ.

Вследствие высокой стоимости многоэлементных ФАР особое зна
чение приобретает поиск путей снижения затрат на их разработку, которая включает в себя физическое и математическое моделирование. Математическое моделирование антенных решеток, базирующееся на строгих