Синтез многолучевых антенных систем с физическими и виртуальными элементами для улучшения помехоустойчивости радиоэлектронной аппаратуры

Целью исследования является разработка моделей, методов проектирования и анализ характеристик МЛА, использование которых позволяет существенно повысить помехоустойчивость радиоэлектронной аппаратуры. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: – анализ современного состояния и тенденций развития теории, техники и технологии производства МЛА и методов определения направления на ИРИ; – разработка и исследование методов создания виртуальных антенных элементов, представляющих собой комплексные значения ЭМП в точках, расположенных по окружности на некотором удалении от физических антенных элементов, на которых производилось измерение значений падающей волны, являющихся исходными данными для расчёта виртуальных элементов; – разработка и исследование конструкционного элемента для построения реконфигурируемых антенн и фазовращателей, для управления которым используется оптоволоконные линии, не создающие и не подверженные радиопомехам; – разработка диаграммообразующей схемы, позволяющей построить МЛА с полноазимутальным сканированием без эффекта затенения каналов; – разработка конструкции линзы с уменьшенными вертикальными размерами с помощью метода трансформационной оптики, предназначенной для создания МЛА с двухкоординатным полусферическим сканированием; – разработка конструкции поляризационно-селективного рефлектора, образующего геометрическую фигуру в виде усеченного сверху и снизу эллипсоида вращения; – разработка антенных элементов и системы запитки для построения МЛА с двумя поляризациями и полноазимутальным сканированием; – разработка антенн на основе однопроводной линии, использующих принцип работы антенны Франклина для формирования тороидальной диаграммы направленности, и дифракционную решетку для формирования веерной диаграммы направленности. В рамках диссертационного исследования была разработана методология проектирования реконфигурируемых антенн и МЛА, способных реализовать в многоканальных системах методы борьбы с помехами, основные на технологии разнесения, и с возможностью сканирования пространства высоконаправленным лучом, тем самым увеличивая отношение сигнал/шум на приемнике, а также разработаны методы на основе процедур аппроксимации поля и расчета магнитной компоненты поля, предназначенные для борьбы с искажениями ЭМП. Применение предложенных методов в совокупности и по отдельности позволяет улучшить помехоустойчивость радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Основными результатами диссертации являются: 1. Показано, что для повышения эффективности метода ВАР требуется изменять радиус размещения виртуальных антенных элементов в зависимости от частоты падающей электромагнитной волны. Выяснено, что линейный закон изменения радиуса ВАР является оптимальным, так как позволяет существенно повысить точность определения направления на ИРИ в широком диапазоне частот и является наиболее универсальным, не требующим задания дополнительных параметров в отличие от ступенчатых вариантов адаптации радиуса под частоту. 2. Исследовано влияние значительных искажений структуры ЭМП в месте размещения элементов РАР на эффективность работы метода ВАР. Показано, что замена сильно искаженных измеренных отсчетов поля на виртуальные антенные элементы, и последующее их использование вместе с неискажёнными отсчетами для формирования ВАР позволяет существенно уменьшить погрешность определения направления на ИРИ. 3. Разработаны конструкции векторных антенн в виде куба и тетраэдра, способные измерить проекции вектора напряженности электрического поля, которые затем пересчитываются в пространственные компоненты напряженности магнитного поля. Показано, что использование менее искаженного магнитного поля для оценки пеленгов позволяет повысить точность определения направления на ИРИ. 4. Разработан управляемый метаматериал, представляющий собой электромагнитный кристалл с коммутационными элементами в узлах, и обладающий способностью синтезировать отражающие поверхности сложной формы, что позволяет строить на его основе реконфигурируемые отражательные антенны и фазовращатели. Предложено использовать коммутационныеэлементы с управлением по оптоволокну, которое не искажает структуру ЭМП и не восприимчиво к радиочастотным помехам. 5. На основе предложенного метаматериала были разработаны и исследованы конструкции рефлекторной антенны и волноводного фазовращателя. С помощью SPICE и Touchstone моделей, было исследовано влияние используемых МЭМС-переключателей и pin-диодов на рабочие характеристики и потери в управляемом метаматериале. 6. Разработанная векторная антенна в виде куба может быть реализована с помощью управляемого метаматериала, что позволит совместить в одном устройстве функцию пеленгации и радиосвязи. 7. Разработаны конструкции МЛА с полноазимутальным сканированием на основе двухуровневой линзы и различных антенных элементов (несимметричных вибраторов с экраном, симметричного и несимметричного TEM-рупора, несимметричных антенн Вивальди). Исследован вариант реализации двухуровневой линзы с градиентом коэффициента преломления. Исследованы частотные зависимости коэффициента корреляции по огибающей, показывающие эффективность разработанных МЛА при использовании в помехоустойчивой многоканальной радиоаппаратуре. Проведен анализ помехозащищённости, реализуемой разработанными МЛА, с помощью рассчитанных значений ПЗО. 8. Разработана конструкция металлодиэлектрической линзы с уменьшенными вертикальными размерами, полученными с помощью метода трансформационной оптики, на основе которой была построена МЛА с полусферическим сканированием. 9. Разработано поляризационно-селективное зеркало в форме усеченного параболоида вращения (или сферы), внутри которого размещалась система облучателей, формирующие множество лучей в полноазимутальном секторе. Подтверждена возможность реализации двухкоординатного сканирования в данной конструкции. Исследована эффективность работы поляризационно-селективного зеркала с помощью рассчитанных частотных зависимостей ПЗО. 10. Разработана МЛА на основе однородной диэлектрической линзы полусферической формы и системы облучателей, размещаемых вокруг нее. Исследованы варианты конструкции МЛА с одной и двумя линейными ортогональными поляризациями. С целью выбора оптимальных облучателей для МЛА, были исследованы различные их варианты. Результаты электродинамического моделирования были верифицированы с помощью натурный измерений в безэховой камере. 11. Разработаны конструкции антенн на основе однопроводной линии с тороидальной и веерной диаграммами направленности, реализуемые с помощью размещения переизлучателей вдоль линии и дифракционной решетки за линией, соответственно.