МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «лэти»

им. В.И.Ульянова (Ленина)

(СПбГЭТУ)

М. И. Сугак

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

дисциплины

Основы автоматизированного проектирования антенн

Для магистров по направлению 210400 «Радиотехника»

Санкт-Петербург

2011

СОДЕРЖАНИЕ

1.1.Основные определения и понятия. Характеристики антенн 3

2. Аксиоматика макроскопической электродинамики 4

2.1 Уравнение Максвелла, векторный потенциал, граничные условия 4

2.2.Метод самосогласованного решения антенных задач 8

3. Элементарный электрический вибратор. 9

3.1 Векторный потенциал диполя Герца. 9

3.2. Магнитное поле диполя Герца. 10

3.3. Электрическое поле диполя Герца. 11

3.4 Вектора ЭМ поля в дальней зоне, сопротивление излучения 13

4. Линейная антенна 14

4.1. Вывод выражения для ДН линейной антенны с произвольным распределением тока. 14

4.2. ДН линейной антенны с постоянным распределением тока. Соотношение неопределенности, уровень боковых лепестков. 17

5. Линейная антенная решетка 19

5.1. Вывод выражения для ДН ЛАР 19

6. Синтез АФР по заданной ДН. 19

6.1. Исторический обзор, особенности задач синтеза антенн. 19

6.2. Вариационный метод фазового синтеза. Примеры. 20

7. Фазовый синтез 25

7.1. Актуальность для ФАР, постановка задачи. 25

7.2. Итерационный метод фазового синтеза. Примеры. 26

8. Вибраторные антенны. 30

8.1. Распределение тока в вибраторной антенне на основе аналогии с длинной линией. 30

8.2. ДН симметричного вибратора. 33

8.3. Вывод уравнения Поклингтона. 36

8.4. Решение уравнения Поклингтона методом Галеркина. 39

8.5. Частотная зависимость входного сопротивления симметричного вибратора. 45

9.Математическое описание вибраторных антенных решеток. 46

9.1.Система связанных ИУ для двухэлементной вибраторной антенной решетки с активным питанием (вывод). 46

9.2. Решение системы связанных ИУ 49

9.3.Система связанных интегральных уравнений для многоэлементной антенны «волновой канал». 53

9.4.Особенности системы ИУ для коллинеарной ФАР. 55

10. Краткий обзор существующих программных средств 58

10.1. Программы серии NEC (winNEC, miniNEC, SuperNEC) и другие программные средства для анализа проволочных структур. 58

10.2. 2D и 3D программные средства САПР антенн (MWO, MWS, Ansoft HFSS) 60

11. Заключение 60

ЛИТЕРАТУРА 61

1.Введение

Задачи, стоящие в настоящее время перед разработчиками антенно-фидерных устройств (АФУ) требуют наличия математических моделей высокой степени точности. Только при наличии таких моделей удается дорогостоящий физический эксперимент заменить математическим, что совершенно необходимо для точного анализа и оптимизации характеристик современных АФУ.

Адекватные математические модели современных АФУ строятся на электродинамических методах анализа – численных методах решения интегральных уравнений методом моментов, методе конечного интегрирования, методе конечных элементов, методе конечных разностей – и им подобных.

Среди обилия численных методов исторически первым и наиболее глубоко разработанным является метод численного решения системы связанных интегральных уравнений относительно токов в сложных проволочных структурах, позволяющий не только решать задачи анализа вибраторных антенн и антенных решеток, но и задачи возбуждения сложных проводящих тел при предварительно выполненной проволочной аппроксимации.

Цель данного курса - дать представление магистрам о основах компьютерного проектирования современных антенных систем, о внутреннем устройстве современных прикладных пакетов, ориентированных прежде всего, на вибраторные структуры и сложные антенные системы, которые можно аппроксимировать проволочными отрезками.

Кроме того, в данном курсе рассмотрены вопросы решения задачи амплитудно-фазового и фазового синтеза распределения токов по линейной антенне по заданной амплитудной диаграмме направленности.

Лекционный курс построен таким образом, что все основные соотношения, включая вывод системы связанных интегральных уравнений типа Поклингтона для анализа вибраторных антенных решеток, выводятся последовательно из уравнений Максвелла. Таким образом, студенты знакомятся с внутренним устройством современных пакетов таких как NEC,WINNEC,MININEC,SUPERNEC,MANAи им подобных исходя из небольшого числа аксиом и нескольких определений. Это позволяет активно изучать данный курс только на основе знаний, полученных в курсе технической электродинамики и математики.