Павлюк Николай Владимирович

Магистр Донецкого Национального Технического Университета
Факультет: Компьютерных Информационных Технологий и Автоматики
Группа: ТКС-99а
E-mail: asp@donec.net
ICQ: 161501429
Тема дисcертации: "Исследование глубины замирания на участках со сложным профилем РРЛС"
Руководитель: к.т.н. доцент Паслен Владимир Владимирович

Ни одна из отраслей радиоэлектроники не является столь многогранной и динамической, как техника антенно-фидерных устройств. Она во многом определяет состояние радиолокации связи. Современные антенно-фидерные устройства базируются не только на электродинамике, но на последних достижениях электроники, полупроводниковой техники, теории информации, системах управления и т.д. Новые качественные характеристики радиотехнических систем в значительной мере определяются антенными устройствами. Наблюдается тенденция во многих случаях слияния собственно антенн, передающих и приемных устройств и систем обработки сигналов. Ярким примером сказанного являются активные фазированные решетки.

Большая насыщенность радиосигналами окружающего пространства заставляет адаптироваться к окружающей обстановке, в частности создавать адаптивные антенные системы. Различные объекты, например летательные аппараты, имеют десятки антенных устройств различных диапазонов и назначения, поэтому необходимо создавать совместимые электромагнитные системы, эффективность которых во многом зависит от характеристик антенных устройств.

В настоящее время от традиционных антенных систем, как правило, требуется обеспечить предельные характеристики, такие, например, как весьма низкий уровень боковых лепестков, максимальный коэффициент использования поверхности, широкополосность, быстрое управление диаграммой направленности и т.д.

Антенны в современной радиоэлектронике.

Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулирует интенсивное развитие теории и техники антенн. Основные области использования радиоэлектроники -связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия, телеметрия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития радиотехники, антенны усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые функции, и антенны зачастую превращались из простых устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решетки (ФАР), активные ФАР (АФАР), антенны с обработкой сигнала и др. Разработаны щелевые, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние антенная система стала выполнять дополнительные функции:

• определение угловых координат источников излучения (с возможно большей точностью и разрешающей способностью);

• усиление сигналов, пространственную, временную, пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности электромагнитной совместимости.

В ряде случаев антенна должна решать задачи получения внекоординатной информации об отражающем объекте, распознавания образа или осуществления радиовидения путем поляризационной обработки и голографических методов преобразования приходящих электромагнитных полей радиодиапазона.

С развитием техники антенн возросла их роль в радиотехнических системах, увеличилась их стоимость и к настоящему времени в ряде областей радиоэлектроники антенны играют решающую роль. В наибольшей степени это относится к ФАР, АФАР, антенным решеткам с обработкой сигнала, радиотелескопам. Реализуемые в настоящее время характеристики антенн предопределяют основные параметры радиосистем.

Многие антенные характеристики являются исходными при построении новых радиосистем, например комплексов для дальнего космоса, в которых реализуемое усиление антенны определяет дальность действия.

Конструкция многоэлементных антенных систем оказывается весьма сложной и в основном определяет массогабаритные характеристики радиосистем.

Обычно при проектировании антенных устройств геометрические размеры определяются характеристиками направленности и усиления, однако уменьшение этих размеров встречает принципиальные трудности. Размещение антенны на носителе диктуется требуемыми ее характеристиками, а защита от внешних воздействий приводит к необходимости применения укрытий, обтекателей, защитных покрытий и т.д. Такие антенны становятся громоздкими в сравнении с аппаратурой в микроэлектронном исполнении. Отказ от традиционных типов антенн, создание новой элементной базы- твердотельных микроэлектронных модулей СВЧ антенных решеток- позволяет отказаться от обтекателей и строить выпуклые электрически сканирующие антенные решетки, размещаемые на наружной поверхности носителя. Подобные антенны с печатными или щелевыми излучателями позволяют получить наибольший эффект при миниатюризации аппаратуры.

Одной из важнейших проблем современной радиоэлектроники является обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн.

Как уже отмечалось, антенные устройства относительно дороги. Естественно, высока стоимость уникальных радиотелескопов и больших (порядок 100 м) полноповоротных зеркальных антенн. Относительно высока стоимость современных штатных зеркальных антенн диаметром 10-30 м, например в станциях типа «Орбита»- до 30% стоимости системы. Многоэлементные ФАР также весьма дороги. Стоимость одного элемента активных ФАР- так называемого активного модуля при серийном изготовлении, по данным зарубежной печати может составлять от сотен до тысяч долларов. Если учесть возможное число элементов в одной ФАР, их необходимое число, то можно представить порядок затрат на перспективные антенны. Этим объясняется большое внимание широкого круга специалистов к решению проблем теории и техники антенн для отыскания путей их оптимального построения , снижения стоимости, более эффективного использования уже созданных радиосистем.

Особую роль в современной радиоэлектронике играют антенные решетки, теория и техника которых за последние

15- 20 лет наиболее интенсивно развивается [2-8] . Современная радиолокация, радиосвязь, радиоастрономия предъявляют постоянно растущие требования к сканирующим антеннам с большими апертурами. Стремление увеличить скорость сканирования, улучшить характеристики антенн, обеспечить возможность многофункциональной работы привело к широкому использованию ФАР, которые и явились центром внимания, развития антенной техники в последнее десятилетие. Значительное число научных работ в области антенных решеток с различными подходами, методами анализа, понятий и определений, а также огромная роль антенных решеток в современной технике привели к стандартизации терминов и определении в этой области. Следует подчеркнуть, что такая стандартизация была впервые сделана для антенных решеток [4] .

Cледует отметить еще одну особенность антенной техники в радиоэлектронике за последний период – резкое расширение круга специалистов, работающих в данной области. Существенное улучшение параметров радиотехнических систем или создание новых систем для перспективных летательных аппаратов, областей использования радиоэлектроники часто диктует требования к антенным характеристикам, невыполнимые при традиционном подходе к решению задач.

Возникает необходимость изыскания новых путей построения антенны, обработки сигнала в решетках, применения антенной техники в разрабатываемых системах для решения новых задач. Решение этих задач требует так называемого системного подхода и совместной работы специалистов в области прикладной электродинамики, системотехники, радиотехнических устройств, электроники, автоматики, метрологии, конструирования и технологии производства. Так, в передающей или приемной (или приемопередающей) АФАР передатчик или приемник (или оба) перестают быть отдельным устройством или становятся составной частью сложной антенной системы. Построение модуля - «кирпичика» такой АФАР в твердотельном исполнении – требует совместной работы указанных специалистов.

Широкое использование цифровых методов обработки сигналов нашло свое отражение и в антенной технике- возникли цифровые антенные решетки. Большие потенциальные возможности и достоинства планарной волноводной(интегральной) оптики(аналоговой обработки) привели к возникновению радиооптических антенных решеток, что еще больше увеличило круг специалистов, работающих в антенной технике. Стремление сократить время разработки новой техники, увеличить производительность труда, оптимизировать параметры создаваемых устройств привело к автоматизации проектирования. Однако автоматизация проектирования в антенных и СВЧ устройствах существенно отличается от таковой в микроэлектронике, системотехнике и т.д. Автоматизация проектирования в антенной технике направлена на разработку математических моделей разного уровня сложности, численных методов решения задач электродинамики, алгоритмов и программ решения систем интегральных или операторных уровнений с векторными или тензорными функциями Грина. Поэтому круг специалистов, работающих в антенной технике, существенно пополнится в последнее время крупными специалистами по прикладной и вычислительной математике, радиофизиками, работающими в данной области.

Быстрое развитие антенной техники, появление новых идей в этой области часто сопровождается односторонними сведениями, носящими рекламный характер. Отсутствие единой терминологии, достаточных теоретических обоснований затруднят знакомство широкого круга специалистов с последними достижениями. Возникла необходимость рассмотрения существующих и развивающихся направлений с единых позиций.

Общие проблемы теории и техники антенн.

Попытаемся кратко сформулировать основные проблемы антенной техники.

Синтез антенных систем.

Построение антенн по заданным требованиям, т.е. синтез антенн, является основной задачей любой разработки. Эту проблему можно условно разделить на две части – теоретическую (математическую) и практическую (конструкторско-технологическую).

Математическая теория синтеза антенных систем обычно рассматривает независимо две отдельные задачи :

-решение внешней задачи – определение токов (полей) по заданным характеристикам направленности;

- решение внутренней задачи – определение элементов конструкции антенны, устройства возбуждения, распределительных систем и т.д.

Эти две задачи в большинстве случаев рассматриваются независимо. В настоящее время наиболее полно решено первая задача. Актуальной же проблемой является построение единой теории конструктивного (инженерного) синтеза, с помощью которого по заданным требованиям на электрические характеристики находят конструкторские решения.

Синтез антенн в этой постановке включает решение традиционных электродинамических задач, задач структурного синтеза антенных систем, в которые превратились современные антенны, а также решение ряда конструкторских, технологических и экономических задач. В такой постановке проблема приобретает общий характер. Так как она связана с преодолением значительных трудностей синтеза радиосистем (решение многокритериальных задач, определение показателя качества антенны, для которого находится глобальный экстремум, алгоритмизация конструкторско –технологического процесса проектирования и т.д.).

Сложность решения состоит также в разнообразии исходных характеристик синтез. На практике возникают самые разнообразные требования к точностным характеристикам, поляризации поля излучения, энергетике разрабатываемых антенн. Заданным требованиям могут удовлетворять различные классы антенн, что усложняет поиск их оптимального варианта. Найденные решения задачи синтеза должны обладать устойчивостью к допускам в изготовлении и различным дестабилизирующим факторам. Следует особо отметить недостаточность развития в настоящее время структурного синтеза внутренних электродинамических задач .

Практическое построение антенных систем – включает обширный круг вопросов конструирования, технологии изготовления, метрологического обеспечения с учетом размещения, эксплуатации создаваемой антенной системы. При этом должны быть учтены ограничения, накладываемые располагаемой элементной базой, технологией, допустимой стоимостью и т.д. Стремление разработчика к поиску наилучшего решения приводит к математической задаче оптимизации конструкторского решения. Однако определение предельно реализуемых характеристик затруднено недостатками развития, алгоритмизации теории синтеза конструкторского – технологических задач используемой техники. Попытки отказаться от традиционных решений в антенной технике приводят к развитию теории, экспериментальным исследованиям и опытно – конструкторским работам.

Автоматизация проектирования, производство и измерений антенных систем.

Широкое применение современных ЭВМ при проектировании антенн позволяет существенно сократить сроки создания новой аппаратуры, расширить круг решаемых задач, приблизить используемые расчетные модели к реальным объектам и уменьшить трудовые затраты. Развитие в последние годы численные методы решения электродинамических задач позволяют в ряде случаев существенно повысить точность расчета антенн и тем самым устранить экспериментальные исследования и доработку аппаратуры, увеличивавшие сроки ее создания на длительный период. Общеизвестна необходимость автоматизации производства, однако уменьшение ручного труда в антенной технике связано в значительной степени с изысканием типов и схем построения антенн, соответствующих прогрессивной технологии. Примером такого решения могут служить плоские печатные решетки излучателей, заменяющие зеркальные антенны, которые требуют трудоемких ручных работ [20] .

Широкое применение ФАР и особенно АФАР немыслимо без автоматизации измерений основных характеристик в процессе производства, настройки и эксплуатации, как отдельных элементов решеток – модулей, так и всей системы в целом.

Антенны с обработкой сигнала .

Дальнейшее улучшение характеристик радиосистем с современными антенными системами (разрешающей способности, быстродействия, пропускной способности, помехозащищенности, дальности действия и др.) возможно при совершенствовании методов обработки (пространственно – временной в общем случае) сигнала, излучаемого и принимаемого антенной. При этом антенна является первичным звеном обработки и в значительной мере определяет ее основные свойства в целом. В настоящее время антенная техника достигла достаточно высокого уровня развития и дальнейший прогресс идет не по пути создания принципиально новых антенн, а главным образом по пути улучшения их характеристик.

Обычно используется далеко не вся необходимая информация, содержащаяся в волне, падающей на остронаправленную антенну, в которой поля от отдельных излучателей (или участков) суммируются в одном фидерном тракте. Последующая обработка такого суммарного сигнала может оказаться недостаточной для измерения параметров приходящей волны. Наиболее полную информацию можно получить, обрабатывая в антенной решетке раздельно каждый принятый сигнал, т.е. обрабатывая ряд выборок из пространственного распределения приходящей волны. Практическая реализация антенн с обработкой сигнала определяется располагаемой элементной базой. Достижения в твердотельной оптике, голографии и других областях существенно расширяют возможности построения антенн с обработкой сигнала. Проблему антенн с обработкой сигнала [13,22] можно кратко сформулировать как изыскание путей оптимального построения пространственно – временной обработки сигнала в антенне при заданных требованиях к системе и располагаемой элементной базе.

Метрологическое обеспечение антенных систем.

Метрологическое обеспечение разработок, производства и эксплуатации антенных систем требует значительных затрат (по зарубежным данным, до 30% общей стоимости) и включает разработку прямых и косвенных методов измерения характеристик антенн различных классов, создание поколения измерительной аппаратуры соответствующих диапазонов волн. Функциональных возможностей, повышенной производительности и точности измерений. Возникает необходимость создания минимума эталонов, образцовых мер, аттестации естественных источников излучения (включая внеземные) для контроля характеристик. Развитие методов измерения характеристик антенн по полю в раскрыве, в промежуточной и дальней зоне вызывает необходимость разработки безэховых камер, коллиматоров, специализированных измерительных комплексов и антенных полигонов [16,17,22] .

Развитие конструкторско – технологической базы антенностроения.

Для построения высокоэффективных антенных систем необходимо определенное кострукторско – технологическая база, в которой помимо общепринятой базы в радиоэлектронике, приборостроении и других отраслях промышленности используется чисто «антенные» материалы и элементы. Такими материалами являются высокодобротные диэлектрики с различным значением диэлектрической проницаемости, электрически управляемые среды (фериты, полупроводники, сегнетоэлектрики) и поглощающие материалы. К элементной базе современных антенн могут быть отнесены фазовращатели, вентили, циркуляторы, мостовые и гибридные устройства, разъемные линии передач, модули ФАР и АФАР [27] . К элементной базе можно условно отнести обтекатели и укрытия антенн различных назначений и диапазона волн, включая инфракрасный и оптические диапазоны. Существенные различия в конструктивном исполнении используемых материалов, размеров современных антенн приводит к широкому кругу задач технологии антенностроения – от строительства металлоконструкций крупногабаритных антенн с раскрывом в сотни метров до изготовления интегральных схем СВЧ и оптических процессоров. Конструкторско- технологические проблемы современного антенностроения приобретают принципиальное значение. Одной из важных задач в этой области является стандартизация существующей разрабатываемой элементных баз.

Обеспечение электромагнитной совместимости антенных систем.

Под проблемой электромагнитной совместимости антенн (ЭМС) различных радиотехнических средств подразумевается обеспечение таких условий работы и антенных характеристик, при которых не возникают нежелательные электромагнитные связи, нарушающие работу этих и других радиосистем, обеспечивается функционирование радиосистем с требуемым качеством.

Минимизация стоимости проектирования производства и эксплуатации антенных систем.

Высокая эффективность исследований, разработок и производства, как известно является важнейшей задачей современности. С учетом высокой стоимости антенн в современных радиосистемах широкого применения эти проблемы приобретают важное хозяйственное значение.

Литература:

• Велихов Е. П.. Сагдеев Р.З., Кокошкин А.А. Космическое оружие: дилемма безопасности.- М.: Мир, 1986.- 182 с.

• Современные проблемы антенно-волноводной техники: Сб. статей/Под ред. А.А.Пистолькорса.- М. Наука, 1967.-217 с.

• Антенны : (Современное состояние и проблемы) / Под. ред. чл.-корр. АН СССР Л. Д. Бахраха, проф. Д.И. Воскресенского.-М.: Сов. Радио, 1979.-208с.

• ГОСТ 23282-78. Решетки антенные: Термины и определения.

• Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток): Учеб.пос. для вузов / Д. И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского. – М. : Радио и связь, 1981-432 с.

• Воскресенский Д.И., Пономарев Л.И., Филиппов В.С. Выпуклые сканирующие антенны.-М.: Сов.радио, 1978.-301с.

• Цыбаев Б.Г. Романов Б.С. Антенны – усилители. - М.:Сов.радио, 1980.-240 с.

• Автоматизированное проектирование устройств СВЧ (проектирование РЭА на интегральных микросхемах) / В.В.Никольский, В.П. Орлов, В.Г. Феоктистов и др.; Под.ред. В.В. Никольского. – М.:Радио и связь, 1982. – 272 с.

• Гостюхин В.Л., Гринева К.И., Трусов В.Н. Вопросы проектирования активных ФАР с использованием ЭВМ / Под. ред. В.Л. Гостюхина. – М.:Радио и связь,1983-248с.

• Вычислительные методы в электродинамике./ Под ред. Р. Митры. – М.: Мир ,1977.-485.с.

• Ильнский А. С.,Свешников А. Г. численные методы в задачах дифракции на периодических структурах : Сб научно – методических статей по прикладной электродинамике. – М.:высшая школа. 1977. – вып. 1.-С. 51-65.

• Мозинго Р.А.,Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. – М.: Радио и связь,1986. – 446 с.

• Воскресенский Д.И.,Гринев А.Ю.,Воронин Е. Н. Радиооптические антенные решетки. – М.: Радио и связь, 1986. – 240с.

• Самойленко В. И.,Шитов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками/Под ред.Г.Г.Бубнова. – М.: радио и связь, 1983. – 238 с.

• Тииэр : (Тем. вып. Радиолокация ). – 1985.- № 2. – С. 1 – 244.