Антенны и устройства СВЧ: Детальный план курсовой работы по проектированию зеркальных антенн с учетом современных методов моделирования и оптимизации

В мире, где каждый бит информации преодолевает огромные расстояния со скоростью света, а точность позиционирования измеряется миллиметрами, роль антенно-фидерных устройств становится не просто важной, но критически значимой. Эти незаменимые компоненты современных радиотехнических систем — от глобальных радиолокационных комплексов и спутниковых сетей связи до систем радиоуправления и радиоастрономических обсерваторий — являются мостом между электрической энергией и электромагнитными волнами. Они позволяют нам излучать и принимать сигналы, обеспечивая функционирование бесчисленного множества приложений, без которых немыслим XXI век.

Целью данной работы является разработка всеобъемлющего теоретического и расчетного плана для курсового проекта, посвященного зеркальным антеннам. Мы стремимся не просто систематизировать уже известные факты, но и углубиться в передовые методы анализа, моделирования и оптимизации, которые становятся стандартом в современной инженерии СВЧ. Для достижения этой цели перед нами стоят следующие ключевые задачи:

• Обосновать фундаментальные принципы: Раскрыть базовые законы электродинамики, составляющие основу для понимания работы СВЧ устройств и антенн.
• Классифицировать и описать: Представить классификацию антенн, сфокусировавшись на апертурных и зеркальных типах, и детально проанализировать принцип их работы.
• Разработать методики расчетов: Предложить алгоритмы инженерных расчетов геометрических параметров зеркала и облучателя, а также их характеристик (диаграмма направленности, КПД), используя как классические, так и современные подходы.
• Исследовать передовые методы: Детально рассмотреть методы физической оптики (РО) и физической теории дифракции (РТD) для повышения точности расчетов.
• Обзор специализированного ПО: Провести обзор ведущих программных комплексов для моделирования и оптимизации СВЧ устройств и антенн, иллюстрируя их применение.
• Интегрировать инновации: Рассмотреть возможности применения искусственного интеллекта и машинного обучения для улучшения характеристик антенных систем.
• Определить критерии выбора фидерного тракта: Представить методики выбора и расчета элементов фидерного тракта, обеспечивающих эффективную передачу энергии.

Данный план послужит надежной основой для студента технического вуза, предоставляя не только теоретическую базу, но и практические рекомендации для выполнения курсовой работы, ориентированной на современные вызовы и технологические решения в области антенн и устройств СВЧ. Это позволит не просто выполнить задачу, но и подготовиться к решению реальных инженерных проблем, где точность и эффективность имеют первостепенное значение.

Теоретические основы электродинамики СВЧ и принципы функционирования антенн

Фундамент, на котором строится любое понимание работы антенн и устройств СВЧ, заложен в глубинах электродинамики. Это не просто свод правил, а стройная система законов, описывающих взаимодействие электрических и магнитных полей, движение зарядов и распространение электромагнитных волн. Именно эти законы позволяют нам не только создавать, но и предсказывать поведение сложных радиотехнических систем, а также эффективно управлять ими в реальных условиях.

Основные понятия и классификация антенн и устройств СВЧ

Прежде чем погрузиться в тонкости расчетов и моделирования, необходимо заложить прочный терминологический фундамент. В области радиотехники существует ряд ключевых понятий, без которых невозможно полноценное понимание предмета.

Антенна — это специализированное устройство, предназначенное для преобразования высокочастотной электрической энергии, поступающей по фидерной линии, в энергию электромагнитных волн, излучаемых в свободное пространство, и наоборот, для сбора энергии электромагнитных волн из пространства и преобразования ее в электрическую энергию. Антенна, по сути, является проводником, который служит интерфейсом между управляемой электрической цепью и неограниченной средой распространения.

Устройства СВЧ — это широкий класс радиотехнических устройств, работающих в диапазоне сверхвысоких частот. Диапазон СВЧ, хотя и ассоциируется с сантиметровыми волнами (от 3 до 30 ГГц), на практике охватывает гораздо более широкий спектр — от 300 МГц (дециметровый диапазон) до 300 ГГц (миллиметровый диапазон), а в некоторых случаях даже до 3 ТГц. Эти устройства представляют собой конструктивное сочетание проводников, диэлектриков и магнитодиэлектриков, и их работа основана на принципах волноводной техники и электромагнитных полей. К ним относятся отрезки линий передачи, переходные и стыковые узлы, согласующие элементы, ответвители, поглотители мощности, фазовращатели и фильтры. Особое внимание заслуживают фильтры СВЧ, которые критически важны для частотной селекции, подавления шумов и помех, защиты от зеркальных каналов приема и формирования спектра излучателей.

Волновод — это направляющая система, предназначенная для передачи электромагнитной энергии в СВЧ диапазоне. В отличие от коаксиальных кабелей, волноводы передают энергию в виде электромагнитных волн, распространяющихся внутри металлической трубы, что обеспечивает меньшие потери на высоких частотах.

Облучатель — это первичный излучатель в составе более сложной антенной системы, такой как зеркальная или линзовая антенна. Его функция заключается в создании электромагнитного поля, которое затем формируется основным элементом (зеркалом или линзой) для достижения требуемой диаграммы направленности.

Диаграмма направленности (ДН) — это графическое или математическое представление пространственного распределения интенсивности излучения антенны. Она показывает, как мощность, излучаемая или принимаемая антенной, зависит от направления. ДН является одной из важнейших характеристик антенны, определяющей ее способность фокусировать энергию в заданном направлении и подавлять сигналы из других направлений.

В теории антенн существует множество классификаций, однако для целей данной работы особое значение имеют апертурные антенны. Они излучают электромагнитную энергию через раскрывы (апертуры), размеры которых, как правило, значительно превышают длину волны. Это позволяет достигать высокой направленности и эффективно формировать узкие лучи. К апертурным антеннам относятся:

• Рупорные антенны: Простые и широко используемые, формирующие ДН за счет расширения волновода.
• Зеркальные антенны: Основной фокус нашего исследования, использующие отражающие поверхности для формирования узкого луча.
• Линзовые антенны: Применяющие диэлектрические или металлические линзы для фокусировки энергии.
• Открытые концы волноводов: Простейшие апертурные излучатели.
• Антенны поверхностных волн: Использующие структуры, поддерживающие распространение поверхностных волн.

Апертурные антенны незаменимы в таких областях, как радиолокация, спутниковая и радиорелейная связь, а также в системах управления, где требуется высокая направленность и дальность действия. В более широком смысле, антенны также делятся на остронаправленные, диапазонные, сверхширокополосные, электрически сканирующие и слабонаправленные, каждая из которых имеет свою специфику применения.

Уравнения Максвелла как краеугольный камень теории

В основе всего, что мы знаем об электромагнитных полях и волнах, лежит система из четырех фундаментальных уравнений, сформулированных Джеймсом Клерком Максвеллом в XIX веке. Эти уравнения Максвелла являются краеугольным камнем теоретической физики и инженерной электродинамики, объединяя электричество, магнетизм и оптику в единую, элегантную теорию. Они описывают, как электрические и магнитные поля генерируются зарядами и токами, и как они взаимодействуют друг с другом, приводя к распространению электромагнитных волн, к которым относится и свет.

Для инженера, занимающегося антеннами и СВЧ устройствами, уравнения Максвелла являются не просто абстрактными формулами, а мощным инструментом для анализа и проектирования. Они позволяют:

1. Описывать распространение волн: Из уравнений Максвелла выводится волновое уравнение, которое описывает распространение электромагнитных волн в различных средах, включая свободное пространство и внутри волноводов.
2. Понимать взаимодействие с материалами: Уравнения учитывают свойства материалов (диэлектрическую проницаемость ε и магнитную проницаемость μ), что позволяет анализировать, как волны взаимодействуют с диэлектриками, металлами и магнитодиэлектриками в устройствах СВЧ.
3. Рассчитывать поля антенн: Используя граничные условия, которые следуют из уравнений Максвелла, можно рассчитать распределение электрических и магнитных полей на поверхности антенны и в окружающем ее пространстве, что является основой для определения диаграммы направленности.
4. Разрабатывать СВЧ устройства: При проектировании волноводов, фильтров, ответвителей и других СВЧ компонентов, уравнения Максвелла позволяют точно рассчитать их характеристики, минимизировать потери и обеспечить необходимое согласование.

Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме выглядит следующим образом:

1. Закон Гаусса для электрического поля:
   ∇ ⋅ E = ρ / ε₀
   (дивергенция электрического поля равна объемной плотности заряда, деленной на электрическую постоянную).
2. Закон Гаусса для магнитного поля:
   ∇ ⋅ B = 0
   (дивергенция магнитного поля всегда равна нулю, что означает отсутствие магнитных монополей).
3. Закон Фарадея (закон электромагнитной индукции):
   ∇ × E = -∂B / ∂t
   (ротор электрического поля равен отрицательной производной магнитного поля по времени; изменение магнитного поля создает электрическое поле).
4. Закон Ампера-Максвелла:
   ∇ × B = μ₀J + μ₀ε₀ (∂E / ∂t)
   (ротор магнитного поля равен сумме плотности тока, умноженной на магнитную постоянную, и смещения тока (производной электрического поля по времени), умноженной на магнитную и электрическую постоянные; токи и изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля).

Где:
* E — вектор напряженности электрического поля;
* B — вектор магнитной индукции;
* ρ — объемная плотность электрического заряда;
* J — плотность тока проводимости;
* ε₀ — электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума);
* μ₀ — магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума);
* ∇ ⋅ — оператор дивергенции;
* ∇ × — оператор ротора;
* ∂/∂t — частная производная по времени.

Эти уравнения, дополненные уравнениями материальных сред (D = εE, B = μH, J = σE), позволяют решать практически любую задачу электродинамики, составляя методологическую базу для всех дальнейших инженерных расчетов в области антенн и устройств СВЧ. Без глубокого понимания их смысла и применения невозможно не только проектировать, но и полноценно анализировать работу сложных радиотехнических систем. Именно поэтому их освоение является первым и важнейшим шагом к пониманию всей предметной области.

Принцип действия и основные типы зеркальных антенн

Зеркальные антенны — это яркий пример инженерного искусства, где законы оптики гармонично переплетаются с принципами распространения электромагнитных волн. По сути, это антенны, у которых электромагнитное поле в раскрыве формируется за счет отражения волны от металлической поверхности специального профиля, именуемой зеркалом или рефлектором.

Принцип действия зеркальной антенны основан на преобразовании фазового фронта электромагнитной волны. Облучатель, являющийся первичным источником электромагнитных волн, излучает сферическую или цилиндрическую волну. Эта волна, достигая металлической поверхности зеркала, отражается от нее. Благодаря тщательно продуманному профилю зеркала, отраженная волна преобразуется в плоский фронт. С точки зрения геометрической оптики, это означает, что лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала формируют параллельный пучок, обеспечивая высокую направленность излучения антенны. Таким образом, слабонаправленная диаграмма направленности облучателя с помощью зеркала преобразуется в узкую, часто игольчатую, диаграмму направленности всей антенной системы.

Зеркальные антенны нашли широчайшее применение в радиолокации, радиоастрономии, радиорелейной и космической связи, а также в спутниковом теле- и радиовещании благодаря своей способности формировать высоконаправленные лучи и обеспечивать большой коэффициент усиления. Это делает их незаменимыми там, где требуется максимальная дальность и точность передачи сигнала.

Классификация зеркальных антенн многогранна и учитывает различные конструктивные особенности:

1. По числу зеркал:
   • Однозеркальные антенны (прямофокусные): Самый простой и распространенный тип, где облучатель расположен непосредственно в фокусе одного параболического зеркала.
   • Многозеркальные антенны: Используют два или более зеркал. Наиболее известны двухзеркальные схемы:
     • Антенны Кассегрена: Эта схема, названная в честь французского астронома, использует главный параболический рефлектор и дополнительное, выпуклое гиперболическое зеркало (субрефлектор). Облучатель располагается за вершиной главного параболического зеркала и направляет свою энергию на субрефлектор, который, в свою очередь, отражает волну на главное зеркало.
     • Антенны Грегори: В этой схеме, названной в честь шотландского математика и астронома, также используется главный параболический рефлектор, но дополнительное зеркало является вогнутым эллиптическим субрефлектором. Облучатель располагается перед вершиной главного зеркала, а субрефлектор находится за фокусом главного зеркала.

   Сравнение антенн Кассегрена и Грегори:

   Характеристика	Антенна Кассегрена	Антенна Грегори
   Субрефлектор	Выпуклый гиперболический	Вогнутый эллиптический
   Расположение облучателя	Вблизи поверхности главного рефлектора, направлен на субрефлектор	Перед вершиной главного рефлектора, субрефлектор за фокусом
   Компактность	Высокая, облучатель скрыт, что упрощает установку и обслуживание.	Менее компактна по сравнению с Кассегреном.
   Эффективность	Высокая, но может быть подвержена эффекту блокировки (затенения).	Очень высокая, особенно в плане подавления боковых лепестков.
   Защита облучателя	Облучатель находится внутри, что обеспечивает хорошую защиту от погодных явлений.	Облучатель также защищен, но конструкция может быть более открытой.
   Поляризационные характеристики	Хорошие, но могут требовать дополнительной коррекции.	Отличные, часто превосходящие Кассегрен по чистоте поляризации.
   Потери	Могут быть оптимизированы за счет короткого фидерного тракта.	Длинный фидерный тракт может вносить дополнительные потери.
   Применение	Радиолокация, космическая связь, где важна компактность.	Радиоастрономия, прецизионные системы связи, где критична чистота сигнала.

   Обе двухзеркальные схемы имеют преимущества перед однозеркальными, такие как уменьшение длины фидерного тракта, что снижает потери, и возможность расположения облучателя в удобном месте, часто внутри основного рефлектора, обеспечивая его защиту от внешних воздействий.

2. По взаимной ориентации зеркал и облучателей:
   • Осесимметричные (прямофокусные) антенны: Облучатель расположен непосредственно в фокусе главного зеркала, которое имеет осевую симметрию. В этом случае облучатель и его опоры могут создавать теневой эффект, частично перекрывая апертуру главного зеркала.
   • Осенесимметричные (офсетные) антенны: Представляют собой боковую вырезку из параболоида вращения. Облучатель смещен относительно фокуса и оси симметрии главного зеркала.

   Преимущества офсетных антенн:

   Основное и наиболее значимое преимущество офсетных антенн заключается в отсутствии затенения основного рефлектора облучателем и его опорами. Это устраняет блокировку части апертуры, что приводи�� к:

   • Высокому коэффициенту полезного использования апертуры (КПИ): Более эффективно используется вся площадь зеркала, что повышает общий КПД антенны.
   • Улучшенным характеристикам ДН: Снижается уровень боковых лепестков и повышается отношение «сигнал/шум», что критично для спутниковой связи и других систем.
   • Лучшему приему сигнала: Меньше искажений и потерь.
   • Защите от атмосферных осадков: Наклонная установка офсетной антенны способствует стеканию воды и снега с отражающей поверхности, предотвращая их скопление, что особенно актуально в регионах с неблагоприятными климатическими условиями. Это также снижает необходимость в системах обогрева и очистки.
   • Компактности и эстетике: Облучатель не мешает визуально и может быть лучше интегрирован в конструкцию.
3. По форме зеркала:

   Наиболее распространенные типы зеркал включают:

   • Параболические: В виде параболоида вращения (для формирования узкого луча) или параболические цилиндры (для формирования веерной ДН). Они трансформируют сферическую или цилиндрическую волну облучателя в плоскую волну.
   • Усеченные параболоиды: Используются в офсетных антеннах.
   • Сферические, плоские и уголковые зеркала: Применяются в специфических задачах, например, сферические зеркала могут использоваться в многолучевых антеннах, хотя и имеют аберрации.

Изготовление зеркал, как правило, осуществляется из металлических листов, а для уменьшения веса и ветровых нагрузок — из металлической сетки или перфорированных листов. При использовании перфорации важно, чтобы диаметр отверстий не превышал 0,2λ (где λ — длина волны), а суммарная площадь отверстий составляла 0,5–0,6 от всей площади зеркала, чтобы минимизировать потери энергии.

К облучателям параболоида вращения предъявляются строгие требования: фронт излучаемой волны должен быть максимально близким к сферическому; диаграмма направленности облучателя должна быть односторонней, осесимметричной и иметь определенную ширину, точно согласованную с углом раскрыва зеркала; а также облучатель должен быть максимально компактным для минимизации теневого эффекта.

Инженерные расчеты геометрических и электродинамических параметров зеркальных антенн

Эффективное проектирование зеркальных антенн невозможно без точных инженерных расчетов, которые позволяют определить оптимальные геометрические параметры зеркала и облучателя, а также их взаимное расположение. Эти расчеты являются основой для достижения заданных электродинамических характеристик антенной системы.

Геометрические параметры параболического зеркала и выбор облучателя

Центральным элементом большинства зеркальных антенн является параболоид вращения. Его поверхность образуется при вращении параболы вокруг фокальной оси, обычно обозначаемой как ось Oz. Уравнение поверхности параболоида вращения в декартовой системе координат выглядит следующим образом:

x2 + y2 = 4fz

Где:

• f — фокусное расстояние параболоида, то есть расстояние от вершины параболы до ее фокуса.

В сферической системе координат, с началом в фокусе F, уравнение параболоида вращения приобретает более удобный для некоторых расчетов вид:

r = 2f / (1 + cos θ)

Где:

• r — расстояние от фокуса до точки на поверхности параболоида;
• θ — угол между фокальной осью и радиус-вектором r (от фокуса до точки на поверхности).

Геометрические параметры параболического зеркала включают в себя:

• Фокусное расстояние f: Определяет «глубину» параболы.
• Радиус раскрыва R₀: Радиус круга, ограничивающего рабочую поверхность зеркала.
• Угол раскрыва θ₀: Угол между фокальной осью и прямой, проведенной из фокуса к краю параболоида. Этот угол часто называют половинным углом раскрыва зеркала.

Эти параметры тесно взаимосвязаны и могут быть выражены через одно из следующих соотношений:

R₀ = 2f tg(θ₀/2)

или

f / R₀ = 1 / (2 tg(θ₀/2))

Форма зеркала часто характеризуется отношением f/D, где D = 2R₀ — диаметр раскрыва. Это отношение позволяет классифицировать параболоиды по их «глубине»:

• Если f/D > 0,5 (или θ₀ < π), зеркало называется длиннофокусным или мелким. Такие зеркала имеют относительно плоскую форму.
• Если f/D < 0,5 (или θ₀ > π), зеркало называется короткофокусным или глубоким. Эти зеркала более «чашеобразны».
• При f/D = 0,5 (или θ₀ = π), фокус располагается на пересечении оси зеркала с фокальной осью, что является пограничным случаем.

Выбор облучателя для зеркальной антенны является критически важным этапом, поскольку именно облучатель определяет исходное поле, которое затем формируется зеркалом. К облучателю предъявляются следующие ключевые требования:

1. Однонаправленность: Облучатель должен излучать энергию преимущественно в направлении зеркала, минимизируя излучение в обратную сторону. Это позволяет избежать потерь энергии и уменьшить уровень задних лепестков ДН всей антенны.
2. Близость фронта излучаемой волны к сферическому: Для эффективного преобразования сферической волны в плоскую зеркалом, облучатель должен создавать максимально сферический фазовый фронт в пределах освещаемой им области.
3. Осесимметричная ДН: В идеале, ДН облучателя должна быть симметричной относительно его оси излучения, чтобы обеспечить равномерное освещение зеркала и симметричную ДН всей антенны.
4. Согласованная ширина ДН: Ширина ДН облучателя должна быть точно согласована с углом раскрыва зеркала 2θ₀. Это необходимо для оптимального освещения зеркала, когда края зеркала облучаются на определенном уровне (обычно -10 дБ относительно максимума поля в центре).
5. Минимальный уровень боковых лепестков: Боковые лепестки ДН облучателя должны быть максимально подавлены и лежать вне области освещения зеркала, чтобы избежать неэффективного излучения в пространство и снижения КПД антенны.
6. Малые размеры: Облучатель должен быть достаточно мал, чтобы минимизировать его теневой эффект (экранирование) на основное зеркало, который приводит к ухудшению характеристик антенны.

Правильный выбор и расчет геометрических параметров зеркала и облучателя являются залогом высокой эффективности и оптимальных характеристик всей зеркальной антенной системы.

Методика расчета диаграммы направленности облучателя

Диаграмма направленности (ДН) облучателя — это фундаментальная характеристика, определяющая, как эффективно будет «освещено» главное зеркало, и, как следствие, какие характеристики будет иметь вся зеркальная антенна. Расчет ДН облучателя, особенно в E- и H-плоскостях, является стандартной задачей в радиотехнике.

Для большинства типов облучателей (например, рупорных) ДН может быть рассчитана аналитически или численно. В общем случае, для рупорного облучателя ДН в E-плоскости (где вектор E параллелен одной из сторон раскрыва) и H-плоскости (где вектор H параллелен другой стороне) можно аппроксимировать с использованием синков или функций Бесселя, учитывая фазовые искажения в раскрыве.

Пример аппроксимации ДН рупорного облучателя (для общего понимания):
ДН рупорного облучателя часто аппроксимируется функцией вида:

E(θ) ≈ (cos θ)p

Где p — некоторый показатель степени, зависящий от типа и размеров рупора. Более точные модели используют интегралы по раскрыву.

Ключевым аспектом при расчете ДН облучателя является условие оптимального облучения зеркала. Это условие гласит, что амплитуда напряженности электрического поля на краях зеркала (E_кр) должна составлять приблизительно 0,316 от амплитуды поля в вершине зеркала (E₀). В логарифмическом масштабе это соответствует относительному уровню −10 дБ:

20 log10(Eкр / E₀) ≈ 20 log10(0,316) ≈ -10 дБ

Это условие выбирается как компромисс между двумя противоречивыми требованиями:

• Минимизация переоблучения: Если уровень поля на краях зеркала слишком высок (например, -3 дБ), значительная часть энергии «переливается» за края зеркала, не отражаясь от него. Это приводит к потерям энергии и увеличению уровня боковых лепестков ДН всей антенны.
• Максимизация использования апертуры: Если уровень поля на краях зеркала слишком низок (например, -20 дБ), центральная часть зеркала освещается чрезмерно сильно, а края недостаточно, что снижает эффективность использования всей площади раскрыва и уменьшает коэффициент усиления.

Оптимальный уровень -10 дБ на краях зеркала обеспечивает наилучший баланс между эффективностью использования апертуры и минимизацией переоблучения, что в итоге приводит к максимальному коэффициенту полезного использования апертуры (КПИ) и наилучшей форме ДН. Расчет ДН облучателя, таким образом, включает в себя:

1. Выбор типа облучателя (например, конический или пирамидальный рупор, диэлектрический облучатель).
2. Определение его геометрических размеров на основе требуемой ширины ДН и уровня спада поля на краях зеркала (-10 дБ).
3. Использование аналитических формул или численных методов (например, с помощью специализированного ПО) для построения ДН облучателя в E- и H-плоскостях и верификации выбранных параметров.

Этот итерационный процесс позволяет инженеру добиться требуемых характеристик облучателя, который является «сердцем» всей зеркальной антенной системы, гарантируя, что первичный излучатель работает с максимальной эффективностью для формирования конечного луча.

Аппроксимация амплитудного раскрыва и расчет КПД зеркальной антенны

После определения оптимальной ДН облучателя и его взаимного расположения относительно зеркала, следующим шагом является аппроксимация амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала и расчет коэффициента полезного действия (КПД) всей антенной системы.

Амплитудное распределение в раскрыве зеркала (также известное как амплитудный раскрыв) является критически важным параметром, поскольку именно оно, наряду с фазовым распределением, формирует окончательную диаграмму направленности антенны. Амплитудное распределение в раскрыве зеркала определяется двумя основными факторами:

1. Диаграммой направленности облучателя: Как мы уже обсуждали, ДН облучателя задает, сколько энергии достигает каждой части зеркала.
2. Формой зеркала (отношением f/D): Геометрия зеркала определяет, как энергия, идущая от облучателя, распределяется по его поверхности.

Простейшая аппроксимация амплитудного распределения в раскрыве A(ρ) (где ρ — радиальная координата в плоскости раскрыва) может быть получена, проецируя ДН облучателя на раскрытие зеркала. Например, если облучатель имеет ДН вида Eобл(θ), то амплитудное распределение в раскрыве будет зависеть от этого закона и геометрии параболоида (r = 2f / (1 + cos θ)).

A(ρ) = Eобл(arctan(ρ/f))

Более точные расчеты учитывают также ослабление поля на пути от облучателя до поверхности зеркала и далее до плоскости раскрыва.

Расчет коэффициента полезного действия (КПД) зеркальной антенны является комплексной задачей, поскольку КПД зависит от множества факторов, каждый из которых вносит свои потери. Общий КПД антенны (η) может быть представлен как произведение нескольких составляющих:

η = ηосв ⋅ ηпол ⋅ ηфаз ⋅ ηзат ⋅ ηдиф ⋅ ηом ⋅ ηфид

Где:

• η_осв (КПД освещения, или апертурный КПД): Характеризует эффективность использования площади раскрыва. Зависит от равномерности амплитудного и фазового распределения в раскрыве. Если поле слишком неравномерно, или на краях зеркала слишком большой спад, η_осв будет низким. Оптимальный спад на краях зеркала в -10 дБ обычно дает хороший КПД освещения.

  Формула для КПД освещения (для кругового раскрыва с осесимметричным распределением):

  ηосв = (1 / R₀²) ⋅ |∫0R₀ A(ρ) ρ dρ|² / (∫0R₀ |A(ρ)|² ρ dρ)

• η_пол (Поляризационный КПД): Учитывает потери, связанные с несогласованностью поляризаций облучателя и зеркала, а также изменения поляризации при отражении.
• η_фаз (Фазовый КПД): Отражает потери из-за неидеальности фазового фронта в раскрыве (например, из-за аберраций зеркала или неточностей в его форме).
• η_зат (КПД затенения): Очень важный фактор для осесимметричных антенн. Он учитывает эффекты затенения облучателем и его опорами. Облучатель, расположенный перед зеркалом, и поддерживающие его конструкции физически перекрывают часть апертуры, что уменьшает эффективную площадь излучения и приводит к потерям.

  Для прямофокусной антенны, если площадь затенения облучателем S_зат, а общая площадь раскрыва S_аперт, то:

  ηзат = (Sаперт - Sзат) / Sаперт

  В офсетных антеннах η_зат приближается к 1, так как затенение практически отсутствует.

• η_диф (Дифракционный КПД): Учитывает потери энергии, которая «переливается» через края зеркала из-за дифракции. Это особенно актуально, если ДН облучателя недостаточно узка или края зеркала не идеально сформированы.
• η_ом (Омический КПД): Отражает потери энергии в металлической поверхности зеркала и облучателя из-за конечной проводимости материалов (джоулевы потери).
• η_фид (КПД фидерного тракта): Учитывает потери энергии в линии передачи (волноводе или коаксиальном кабеле), соединяющей источник СВЧ-сигнала с облучателем.

Расчет КПД зеркальной антенны — это многоэтапный процесс, требующий тщательного учета каждого из этих факторов. Детализация расчета каждого компонента КПД часто требует использования численных методов и специализированного программного обеспечения, поскольку аналитические формулы могут быть слишком громоздкими или неточными для сложных конфигураций. На практике, оптимизация антенны направлена на максимизацию каждой из этих составляющих КПД, чтобы достичь максимально возможной общей эффективности.

Передовые методы расчета характеристик и факторы, влияющие на эффективность антенны

Традиционные методы расчета характеристик антенн, такие как апертурный метод, дают хорошие приближения для антенн большого электрического размера, однако они часто упускают тонкие эффекты, которые становятся критичными для точного предсказания поведения антенны, особенно в области боковых лепестков диаграммы направленности. Современная инженерная практика требует применения более продвинутых подходов, способных улавливать эти нюансы.

Методы физической оптики и физической теории дифракции

Для расчета характеристик излучения зеркальных антенн большого электрического размера, особенно для оценки уровня боковых лепестков и заднего излучения, применяются приближенные методы, выходящие за рамки чисто апертурной теории. Среди них выделяются:

1. Метод физической оптики (РО – Physical Optics):

   Этот метод является одним из наиболее эффективных и точных для аппроксимации поверхностного электрического тока на идеально проводящих рефлекторах. В основе РО лежит предположение, что на освещенной стороне рефлектора поверхностный электрический ток J_э равен удвоенному касательному вектору магнитного поля первичного облучателя H, а на теневой стороне ток равен нулю.

   Ключевой алгоритм численного расчета методом физической оптики основан на формуле поверхностного электрического тока:

   Jэ = 2n × Hперв

   Где:

   • n — вектор нормали к поверхности рефлектора в каждой точке;
   • H_перв — вектор магнитного поля, создаваемого первичным облучателем в этой точке на поверхности рефлектора.

   После определения распределения поверхностного тока J_э на всей освещенной поверхности зеркала, расчет вторичного поля (поля излучения зеркальной антенны) сводится к вычислению соответствующих двумерных интегралов Фурье от этого тока. Эти интегралы позволяют определить поле в дальней зоне, то есть построить ДН. Метод РО хорошо предсказывает главный лепесток и ближние боковые лепестки, но имеет ограничения в точности для дальних боковых лепестков и заднего излучения, поскольку не учитывает дифракцию на кромках зеркала.

2. Метод физической теории дифракции (РТD – Physical Theory of Diffraction):

   Метод РТD является развитием метода физической оптики и призван устранить его недостатки, связанные с неучетом дифракционных эффектов. Он позволяет учесть эффекты дифракции первичного поля облучателя на кромке зеркала, что значительно уточняет расчет уровня дальних боковых лепестков ДН, а также заднего излучения.

   В рамках РТD общее поле излучения представляется как сумма двух компонент:

   • Поле, рассчитанное по методу физической оптики (РО-поле).
   • Дополнительное поле, возникающее за счет дифракции на кромках зеркала (краевые волны).

   Эти краевые волны вводятся как поправочные токи, которые добавляются к РО-токам на поверхности зеркала, особенно вблизи его краев. Таким образом, РТD позволяет получить более точное представление о ДН антенны, особенно за пред��лами основного луча, где дифракционные эффекты играют доминирующую роль. Применение РТD критически важно для систем, где требуется максимально низкий уровень боковых лепестков (например, в радиолокации или спутниковой связи для уменьшения взаимных помех).

Влияние теневого эффекта и точности изготовления на характеристики антенны

Хотя теоретические расчеты и методы РО/РТD позволяют получить высокоточные предсказания, характеристики реальных антенн всегда отличаются от идеальных значений. Эти расхождения обусловлены рядом факторов, которые необходимо учитывать при проектировании и анализе:

1. Теневой эффект облучателя (его экранирующее действие):

   В осесимметричных (прямофокусных) зеркальных антеннах облучатель и его поддерживающие конструкции располагаются перед зеркалом, прямо на пути падающей и отраженной волны. Это приводит к:

   • Блокировке части апертуры: Часть электромагнитной энергии, падающей на зеркало, перехватывается облучателем, что уменьшает эффективную площадь раскрыва и, как следствие, снижает коэффициент усиления и КПД.
   • Изменению распределения поля в раскрыве: Тень от облучателя создает «дыру» в амплитудном распределении поля, что приводит к искажению формы ДН, появлению дополнительных боковых лепестков и увеличению их уровня.
   • Излучению от облучателя в нежелательных направлениях: Облучатель, находящийся перед зеркалом, может напрямую излучать энергию в направлении, отличном от главного лепестка, увеличивая уровень задних лепестков.

   Для минимизации теневого эффекта применяют следующие меры:

   • Использование офсетных антенн: Как уже упоминалось, смещение облучателя от оси зеркала полностью устраняет затенение.
   • Малые размеры облучателя и тонкие опоры: Чем меньше площадь, перекрываемая облучателем и его опорами, тем меньше потери.
   • Расположение боковых лепестков ДН облучателя вне области освещения зеркала: Это снижает энергию, которая может быть отражена от облучателя обратно в основное направление.
   • Неточности изготовления антенны:

     Любой производственный процесс имеет допуски, и зеркальные антенны не исключение. Отклонения от идеальной геометрической формы зеркала, неточность установки облучателя относительно фокуса, а также деформации, вызванные ветровыми нагрузками или температурными изменениями, приводят к ухудшению характеристик:

     • Искажение фазового фронта: Неточности формы зеркала приводят к тому, что отраженная волна не формирует идеальный плоский фронт. Это эквивалентно появлению фазовых ошибок в раскрыве, что снижает коэффициент усиления, расширяет главный лепесток и увеличивает уровень боковых лепестков.
     • Смещение фокуса: Неточное позиционирование облучателя относительно фокуса зеркала также вызывает фазовые ошибки в раскрыве, аналогично искажению формы зеркала.
     • Увеличение потерь: Любые отклонения от идеала приводят к тому, что часть энергии излучается в нежелательных направлениях, уменьшая КПД.

     Для достижения высоких показателей антенны необходимо предусматривать специальные меры:

     • Строгие допуски на точность изготовления: Чем выше частота (меньше длина волны), тем жестче требования к точности поверхности зеркала. Обычно, отклонения не должны превышать λ/16 или λ/8.
     • Корректировка фокусного расстояния: В некоторых случаях может потребоваться тонкая настройка положения облучателя для компенсации производственных неточностей или фазировки обратного излучения облучателя (чтобы минимизировать его влияние).
     • Использование высокоточных измерительных систем: Для контроля геометрии и электродинамических характеристик антенны на этапах производства и эксплуатации.

Учет этих факторов позволяет инженеру не только точно предсказывать поведение антенны, но и разрабатывать конструктивные решения, минимизирующие негативное влияние реальных условий, что в конечном итоге обеспечивает создание высокоэффективных и надежных антенных систем. Ведь что толку от идеальных расчетов, если реальная конструкция не соответствует им?

Моделирование и оптимизация антенн и устройств СВЧ с использованием специализированного ПО и ИИ

В условиях постоянно возрастающих требований к характеристикам радиотехнических систем и усложнения их архитектур, ручные расчеты и упрощенные модели становятся недостаточными. Современный инженерный подход к анализу, проектированию и оптимизации СВЧ устройств и антенн немыслим без использования специализированного программного обеспечения и инновационных методов, таких как искусственный интеллект.

Обзор и применение специализированных программных пакетов

Анализ и проектирование СВЧ устройств и антенн требуют использования мощных программных средств, основанных на численных методах решения уравнений электродинамики (например, метод конечных элементов, метод конечных разностей во временной области, метод моментов). Эти пакеты позволяют создавать виртуальные прототипы, исследовать их поведение в различных условиях и оптимизировать параметры до начала физического производства, значительно сокращая время и стоимость разработки.

Среди наиболее популярных и широко используемых программных пакетов для моделирования и оптимизации выделяются:

1. Ansys HFSS (High Frequency Structure Simulator):
   • Функциональные возможности: Является универсальным инструментом для 3D электромагнитного моделирования и проектирования широкого спектра СВЧ устройств и антенн. Основан на методе конечных элементов (FEM). Позволяет точно анализировать S-параметры, поля излучения в ближней и дальней зоне, распределение токов и полей, резонансные частоты и добротность.
   • Применение для зеркальных антенн: В HFSS можно построить полную 3D-модель зеркальной антенны (зеркало, облучатель, фидерный тракт), задать свойства материалов, а затем провести детальный анализ ДН, коэффициента усиления, КПД, а также влияние эффектов затенения и неточностей изготовления. Это позволяет оптимизировать форму зеркала, размеры облучателя и его положение для достижения наилучших характеристик.
2. CST Studio Suite (Computer Simulation Technology):
   • Функциональные возможности: Комплексный пакет для 3D электромагнитного моделирования и оптимизации трехмерных электромагнитных систем. Включает различные решатели (временная область, частотная область, интегральные уравнения), что делает его гибким для разных задач.
   • Применение для зеркальных антенн: Как и HFSS, CST Studio Suite позволяет моделировать зеркальные антенны, рассчитывать их ДН, КСВН, коэффициент усиления. Благодаря наличию решателей для больших электрических размеров, он эффективно применяется для анализа крупногабаритных зеркал, а также для детального изучения взаимодействия облучателя с зеркалом и влияния субрефлекторов в двухзеркальных системах.
3. ADS (Advanced Design System) от Keysight Technologies:
   • Функциональные возможности: Используется для проектирования и анализа электронных схем, включая СВЧ устройства. ADS ориентирован на схемотехническое моделирование, но также имеет встроенные электромагнитные решатели (например, Momentum для 2.5D анализа планарных структур) и возможность интеграции с 3D-решателями.
   • Применение для зеркальных антенн: ADS больше подходит для проектирования облучателей, которые могут быть выполнены в виде планарных структур или рупоров с элементами согласования. С его помощью можно оптимизировать параметры фидерного тракта, согласующих цепей и самого облучателя с точки зрения входного импеданса и эффективности излучения.
4. Microwave Office от Cadence AWR:
   • Функциональные возможности: Позволяет проектировать планарные СВЧ-устройства, моделировать линейные и нелинейные схемы, проводить 2.5D-электромагнитный анализ, а также выполнять анализ антенн в дальней зоне, включая построение диаграмм направленности.
   • Применение для зеркальных антенн: Аналогично ADS, Microwave Office может быть использован для детального проектирования облучателей и их согласующих цепей. Возможности 2.5D-анализа полезны для многослойных планарных облучателей, а интеграция с 3D-инструментами расширяет возможности для анализа всей зеркальной системы.
5. Antenna Magus:
   • Функциональные возможности: Это специализированный продукт для проектирования антенн, который представляет собой обширную базу данных (более 350 типов) различных антенн с возможностью синтеза их параметров под заданные требования. Он позволяет быстро выбрать подходящий тип антенны, рассчитать ее начальные размеры и экспортировать параметризованную 3D-модель в другие пакеты (например, CST MICROWAVE STUDIO, HFSS) для дальнейшего моделирования и оптимизации.
   • Применение для зеркальных антенн: Antenna Magus может быть незаменимым инструментом на начальных этапах проектирования, когда необходимо быстро выбрать оптимальный тип облучателя (например, рупорный) и получить его первоначальные размеры. Он также может помочь в выборе геометрии зеркала, предлагая типичные конфигурации и их характеристики. После экспорта модели в 3D-симулятор, инженер может провести точный электромагнитный анализ и дальнейшую оптимизацию.

Использование этих программных пакетов позволяет:

• Проводить точное моделирование характеристик устройств и антенн (S-параметры, ДН, поля в ближней и дальней зоне).
• Оптимизировать их параметры (геометрические размеры, материалы) для достижения заданных требований.
• Учитывать влияние сложных геометрических форм и внешних факторов.
• Сокращать количество дорогих физических прототипов и испытаний.

Искусственный интеллект и машинное обучение в проектировании антенн

На фоне экспоненциального роста вычислительных мощностей и развития алгоритмов, искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО) все активнее проникают в сферу проектирования антенн и СВЧ устройств. Эти технологии открывают новые возможности для оптимизации характеристик, ускорения проектирования и решения задач, которые ранее были либо слишком трудоемкими, либо невозможными.

Основные направления применения ИИ/МО в проектировании антенн:

1. Суррогатное моделирование:
   • Принцип: Вместо выполнения ресурсоемких электромагнитных симуляций для каждой итерации оптимизации, создаются легкие МО-модели (суррогаты), которые обучаются на ограниченном наборе результатов традиционных симуляций. Эти суррогатные модели затем могут быстро предсказывать характеристики антенн для новых комбинаций параметров, значительно ускоряя процесс проектирования.
   • Применение: Используется для быстрой оценки ДН, входного импеданса, коэффициента усиления и других параметров в процессе многомерной оптимизации.
2. Эволюционные алгоритмы и оптимизация топологии:
   • Принцип: Генетические алгоритмы, эволюционные стратегии и другие методы вдохновлены биологической эволюцией. Они могут автоматически исследовать огромное пространство проектных решений, «эволюционируя» формы антенн для достижения оптимальных характеристик.
   • Применение: ИИ может генерировать совершенно новые, неинтуитивные топологии антенн (например, для широкополосных или многочастотных систем), которые превосходят традиционные конструкции по компактности, эффективности или другим параметрам. Это позволяет найти глобальные оптимумы, которые сложно достичь с помощью градиентных методов.
3. Нейронные сети (глубокие и сверточные) для анализа и синтеза:
   • Принцип: Нейронные сети обучаются на больших объемах данных (например, ДН различных антенн) и могут предсказывать характеристики для новых конфигураций или даже синтезировать геометрические параметры, необходимые для достижения заданных характеристик.
   • Применение:
     • Рекомендация типов антенн: На основе заданных требований (частотный диапазон, ДН, поляризация) ИИ может рекомендовать наиболее подходящие типы антенн из обширной базы данных.
     • Формирование многолучевых диаграмм направленности: Нейронные сети могут эффективно управлять фазовым и амплитудным распределением в антенных решетках для создания сложных многолучевых или сканирующих ДН.
     • Снижение уровня боковых лепестков: Путем анализа и коррекции распределения поля, ИИ может помочь минимизировать нежелательные боковые лепестки.
     • Коррекция характеристик при отказах элементов: В антенных решетках ИИ может перераспределять возбуждение между оставшимися элементами для компенсации отказов и поддержания заданных характеристик.
     • Обратное проектирование (Inverse Design): ИИ может быть обучен для определения оптимальной геометрии антенны, исходя из желаемых электромагнитных характеристик.
4. Ускорение электромагнитных симуляций:
   • ИИ может использоваться для оптимизации сеток конечных элементов, прогнозирования сходимости, а также для постобработки результатов, сокращая время, необходимое для полноценного анализа.

Интеграция ИИ и МО в процесс проектирования антенн и СВЧ устройств позволяет не только автоматизировать рутинные задачи, но и открывает путь к созданию принципиально новых, высокоэффективных и интеллектуальных систем, способных адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации. Это делает область проектирования антенн еще более динамичной и инновационной.

Выбор и расчет фидерного тракта

Эффективность зеркальной антенны в значительной степени зависит не только от самого зеркала и облучателя, но и от качества фидерного тракта — системы, которая передает СВЧ энергию от источника к облучателю и обратно. Неправильный выбор или некачественный расчет элементов фидерного тракта может привести к значительным потерям мощности и ухудшению характеристик антенны.

Типы волноводов и их характеристики

В СВЧ диапазоне в качестве фидерных трактов широко применяются волноводы — металлические трубы с различными поперечными сечениями, внутри которых распространяются электромагнитные волны. Волноводы обеспечивают существенно меньшие потери на высоких частотах по сравнению с коаксиальными кабелями, особенно при больших мощностях.

1. Прямоугольные волноводы:
   • Описание: Наиболее распространенный тип волноводов, имеющий прямоугольное поперечное сечение.
   • Применение: Широко используются в радиолокации, системах связи, измерительной технике.
   • Характеристики:
     • Основной тип волны: TE₁₀ (поперечная электрическая, или H₁₀).
     • Расчет геометрических размеров: Размеры поперечного сечения (a и b, где a > b) выбираются таким образом, чтобы обеспечить распространение только основного типа волны в заданном диапазоне частот и подавить высшие типы волн.
       • Критическая частота для волны TE₁₀: fкр10 = c / (2a), где c — скорость света.
       • Рабочий диапазон частот: обычно от 1.25fкр10 до 0.95fкр01.
       • Критическая частота для волны TE₀₁ (или TE₂₀): fкр01 = c / (2b).
     • Волновое сопротивление: Зависит от размеров волновода и частоты.
     • Потери: Омические потери (в стенках волновода) и потери на излучение (при наличии неоднородностей).
2. Круглые волноводы:
   • Описание: Имеют круглое поперечное сечение.
   • Применение: Часто используются для вращающихся сочленений, а также для передачи волн с круговой поляризацией или в тех случаях, когда требуется симметричность относительно оси.
   • Характеристики:
     • Основные типы волн: TE₁₁ и TM₀₁. Волна TE₁₁ является основной и имеет наименьшую критическую частоту.
     • Расчет геометрических размеров: Диаметр (D) выбирается для обеспечения работы в одномодовом режиме.
       • Критическая частота для волны TE₁₁: fкр11 = 1.841c / (πD).
     • Поляризация: Круглые волноводы могут поддерживать различные типы поляризации, включая круговую.
     • Потери: Аналогично прямоугольным волноводам, присутствуют омические потери.

Методики расчета геометрических размеров и электрических параметров волноводов:
Расчеты включают определение размеров, обеспечивающих:

• Одномодовый режим работы: Предотвращение распространения высших типов волн, которые могут искажать сигнал.
• Минимальные потери: Выбор оптимальных размеров для снижения омических потерь и минимизации отражений.
• Требуемое волновое сопротивление: Для согласования с другими элементами тракта.

Для определения электрических параметров, так��х как постоянная распространения (β), фазовая скорость (v_ф), групповая скорость (v_гр) и волновое сопротивление (Z_в), используются стандартные формулы, учитывающие критическую частоту и рабочую частоту. Например, для прямоугольного волновода в режиме TE₁₀:

β = √( (2πf / c)² - (π/a)² )

Zв = Z₀ / √( 1 - (fкр10 / f)² )

Где:

• f — рабочая частота;
• c — скорость света;
• Z₀ — волновое сопротивление свободного пространства (≈ 377 Ом).

Элементы фидерного тракта и согласование

Помимо самих волноводов, фидерный тракт включает в себя ряд дополнительных элементов, которые обеспечивают его функциональность и эффективное согласование:

1. Переходные и стыковые узлы: Используются для соединения волноводов различных сечений, а также для подключения к облучателю или другому СВЧ устройству. Они должны обеспечивать минимальные потери и отражения.
2. Вращающиеся сочленения: Позволяют механически вращать часть антенны (например, зеркало) относительно неподвижного фидерного тракта без прерывания СВЧ сигнала и введения значительных потерь. Часто реализуются на основе круглых волноводов с симметричными типами волн.
3. Дроссельно-фланцевые соединения: Используются для обеспечения надежного электрического контакта между двумя секциями волновода, одновременно минимизируя потери на излучение и обеспечивая механическую прочность. Дроссельная канавка служит для создания короткого замыкания для СВЧ поля, предотвращая его выход наружу.
4. Согласующие элементы: Предназначены для минимизации коэффициента стоячей волны (КСВН) и обеспечения максимальной передачи мощности между различными элементами фидерного тракта или между трактом и облучателем. Это могут быть штыри, диафрагмы, винты или специально спрофилированные участки волновода. Их расчет направлен на компенсацию реактивной составляющей входного импеданса и выравнивание активной части.
5. Поглотители мощности: Применяются для поглощения нежелательной СВЧ энергии, например, в нагрузках, аттенюаторах или для подавления паразитных колебаний.
6. Фазовращатели: Элементы, позволяющие изменять фазу СВЧ сигнала. Используются, например, в фазированных антенных решетках или для компенсации фазовых искажений.
7. Фильтры СВЧ: Как уже упоминалось, предназначены для частотной селекции, подавления помех и формирования спектра сигнала.

Методика согласования:
Основная задача согласования — обеспечить, чтобы входное сопротивление облучателя было равно волновому сопротивлению фидерного тракта на рабочей частоте. Это достигается путем введения согласующих элементов, которые компенсируют реактивную часть импеданса и трансформируют активную. Расчет согласования часто включает:

• Измерение (или моделирование) входного импеданса облучателя.
• Выбор типа согласующего устройства (например, четвертьволновый трансформатор, штыри).
• Расчет геометрических размеров согласующего устройства для минимизации КСВН в заданном диапазоне частот.

Комплексный подход к выбору и расчету всех элементов фидерного тракта позволяет создать эффективную систему, которая минимизирует потери энергии и обеспечивает оптимальные условия работы зеркальной антенны, что напрямую влияет на качество и надежность всей радиотехнической системы.

Заключение

В рамках данного детального плана курсовой работы по «Антеннам и устройствам СВЧ» с акцентом на зеркальные антенны, мы последовательно рассмотрели все ключевые аспекты, необходимые для глубокого понимания и практического проектирования таких систем. Цели и задачи, поставленные во введении, были успешно достигнуты.

Мы начали с фундаментальных основ, погрузившись в мир уравнений Максвелла, которые являются не просто абстракциями, но и практическим инструментарием для описания электромагнитных полей и волн. Определения ключевых терминов, таких как «антенна», «СВЧ-устройство», «облучатель» и «диаграмма направленности», позволили заложить прочную терминологическую базу.

Детальный анализ принципа действия зеркальных антенн раскрыл их способность преобразовывать сферический фронт волны в плоский, формируя высоконаправленный луч. Глубокий сравнительный анализ различных архитектур — от однозеркальных до многозеркальных систем Кассегрена и Грегори, а также осесимметричных и осенесимметричных (офсетных) антенн — позволил выделить их преимущества и недостатки, с особым акцентом на минимизацию теневого эффекта и защиту облучателя в офсетных конструкциях.

Раздел по инженерным расчетам представил методики определения геометрических параметров параболических зеркал (фокусное расстояние, радиус и угол раскрыва) и их влияние на форму антенны (длиннофокусные/короткофокусные). Были детализированы критерии выбора облучателя, а также методы расчета его диаграммы направленности с учетом оптимального уровня облучения краев зеркала (-10 дБ). Особое внимание было уделено комплексному расчету коэффициента полезного действия (КПД) зеркальной антенны, учитывающему потери на освещение, поляризацию, фазовые ошибки, затенение, дифракцию, омические потери и потери в фидерном тракте.

Мы вышли за рамки базовых подходов, представив передовые методы расчета характеристик, такие как физическая оптика (РО) и физическая теория дифракции (РТD), которые позволяют учесть дифракционные эффекты на кромках зеркала и существенно уточнить расчет уровня боковых лепестков. Было показано, как теневой эффект облучателя и неточности изготовления влияют на реальные характеристики антенны, и предложены меры по минимизации этих негативных воздействий.

Одним из ключевых инновационных аспектов работы стало рассмотрение моделирования и оптимизации с использованием специализированного программного обеспечения (Ansys HFSS, CST Studio Suite, ADS, Microwave Office, Antenna Magus). Были описаны их функциональные возможности и конкретные примеры применения для проектирования зеркальных антенн, подчеркивая их роль в сокращении времени разработки и повышении точности. Кульминацией этого раздела стало исследование искусственного интеллекта и машинного обучения в проектировании антенн, включая суррогатное моделирование, эволюционные алгоритмы и нейронные сети, что указывает на будущее радиотехнической инженерии.

Наконец, был разработан план по выбору и расчету фидерного тракта, который является неотъемлемой частью любой антенной системы. Мы рассмотрели основные типы волноводов (прямоугольные и круглые), методики расчета их геометрических и электрических параметров, а также ключевые элементы фидерного тракта, обеспечивающие согласование и минимизацию потерь.

Предложенный план курсовой работы представляет собой исчерпывающее руководство, которое не только охватывает классические теоретические и расчетные основы зеркальных антенн, но и интегрирует современные методы моделирования, оптимизации и инновационные технологии. Значимость такого подхода заключается в подготовке будущих инженеров к решению актуальных задач в условиях быстро развивающейся радиотехники, где требования к эффективности, компактности и интеллектуальности антенных систем постоянно растут. Этот план станет ценным ресурсом для студентов, стремящихся к глубокому пониманию и практическому применению знаний в области антенн и устройств СВЧ.

Список используемой литературы

1. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны. Учебное пособие.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.
3. Дмитриев Д.Д. Устройства СВЧ и антенны.
4. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.
5. Основные законы электродинамики: Уравнения Максвелла.
6. Зеркальные антенны. Общие сведения и принципы действия.
7. Конструкция, принцип функционирования и основные типы зеркальных антенн.
8. Апертурные антенны, волноводные и рупорные антенны, общие сведения. Апертурный метод расчета. Методы решения внутренней и внешней задачи теории антенн.
9. Зеркальные параболические антенны. Геометрические свойства. Методы.
10. Антенна с зеркалом в виде параболоида вращения.
11. Расчет облучателя и его ДН, расчет размеров зеркала и ДН параболической антенны, расчет максимального КНД параболической антенны, допуски на точность изготовления зеркала и установки облучателя, расчет КПД фидерного тракта.
12. Анализ и оптимизация СВЧ структур с помощью HFSS.
13. САПР СВЧ- и антенных устройств.
14. Проектирование устройств СВЧ.
15. Using AI for Antenna Design, Analysis and Optimization. Microwave Journal. (2025-01-13).
16. AI-Driven Innovations in RF and Antenna Design. Huawei.
17. Implementation of Machine Learning and Artificial Intelligence Methods in Enhancing the Efficiency of Models of Antennas in Complicated Conditions. (2024-08-01).
18. Automated Design of Antennas Using AI Techniques: A Review of Contemporary Methods and Applications.
19. Design of Antenna Parameters Using Optimization Techniques: A Review.
20. Нейроподобная сеть для решения задачи оптимизации антенной решетки.
21. Искусственная нейронная сеть для коррекции амплитудно-фазового распределения антенной решетки с учетом отказов антенных элементов. (2025).
22. Ученые МФТИ придумали алгоритм, ускоряющий создание антенн в сотни раз. CNews. (2025-06-27).
23. Antenna Magus Download — It is a tool created to accelerate the antenna design and modelling process. (2025-10-03).
24. The first Antenna Design Software tool of its kind. — AntennaMagus.
25. SIMULIA Antenna Magus — моделирование антенн. Системы Инженерного Анализа.
26. Основы радиолокации – Антенна Кассегрена. Radartutorial.eu.
27. Антенна Грегори — Основы радиолокации. Radartutorial.eu.
28. Офсетная спутниковая тарелка (антенна).
29. Особенности, преимущества и принцип работы офсетных зеркальных тарелок. ТехноФорум.

Список использованной литературы

1. Антенны и устройства СВЧ. Сазонов Д.М. М.: Высш. шк., 1988.
2. Методические указания к курсовому проекту по предмету: «Антенны и устройства СВЧ» / Сост.: Б.Д. Ситнянский, Н.В. Садовский, В.М. Гаврилов. Владимир, 2004.
3. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны: Учебное пособие. URL: https://www.elec.ru/articles/ustroistva-svch-i-antenny-uchebnoe-posobie/ (дата обращения: 10.10.2025).
4. Зеркальные антенны // Большая российская энциклопедия. URL: https://bigenc.ru/technology/text/1857969 (дата обращения: 10.10.2025).
5. Анализ и проектирование антенн и СВЧ устройств для современных телекоммуникаций по версии нейросети Gemini 2.0 flash // aimitup.com. URL: https://aimitup.com/ru/blog/analysis-and-design-of-microwave-devices-and-antennas-for-modern-telecommunications-version-of-the-neural-network-gemini-2.0-flash (дата обращения: 10.10.2025).
6. СВЧ антенны // АО «Алмаз-СП». URL: https://almaz-sp.ru/produktsiya/svch-antenny (дата обращения: 10.10.2025).
7. Устройства СВЧ и антенны // Издательство Радиотехника. URL: https://radiotec.ru/catalog/books/ustroystva_svch_i_antenny (дата обращения: 10.10.2025).
8. Анализ и оптимизация СВЧструктур с помощью HFSS // elibrary.ru. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=12140411 (дата обращения: 10.10.2025).
9. САПР СВЧ- и антенных устройств // cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sapr-svch-i-antennyh-ustroystv (дата обращения: 10.10.2025).
10. Проектирование устройств СВЧ // eurointech.ru. URL: https://www.eurointech.ru/company/publications/design_svch_devices/ (дата обращения: 10.10.2025).
11. Проектирование устройств СВЧ // itweek.ru. URL: https://www.itweek.ru/tech/article/detail.php?ID=117320 (дата обращения: 10.10.2025).
12. Книга Устройства СВЧ и антенны // infra-m.ru. URL: https://infra-m.ru/catalog/tekhnika/radioelektronika/kniga_ustroystva_svch_i_antenny_1127025 (дата обращения: 10.10.2025).
13. Промышленные радарные датчики СВЧ излучения. Антенны: рупорная и параболическая — экспертные статьи от РусАвтоматизация // rusautomation.ru. URL: https://rusautomation.ru/wiki/promyshlennye-radarnye-datchiki-svch-izlucheniya (дата обращения: 10.10.2025).
14. Дифракционные решетки в антеннах СВЧ и КВЧ диапазонов волн. Юдин В.И., Пастернак Ю.Г // elibrary.ru. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25573426 (дата обращения: 10.10.2025).
15. АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ // tsu.tmb.ru. URL: https://www.tsu.tmb.ru/ru/content/antennas-and-microwave-devices (дата обращения: 10.10.2025).
16. АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ // tusur.ru. URL: https://tusur.ru/ru/university/structure/faculties/radiotehnicheskiy-fakultet/kafedry/kafedra-tehnicheskoy-fiziki-i-sredstv-svyazi/obrazovatelnye-programmy/antenn-i-ustroystv-svch (дата обращения: 10.10.2025).
17. Устройства СВЧ и антенны // elek.ru. URL: https://www.elek.ru/articles/ustroystva-svch-i-antenny/ (дата обращения: 10.10.2025).
18. «Устройства СВЧ и антенны», Д. Д. Дмитриев // litres.ru. URL: https://www.litres.ru/d-d-dmitriev/ustroystva-svch-i-antenny/ (дата обращения: 10.10.2025).
19. УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ // tstu.ru. URL: https://www.tstu.ru/ru/education/programs/electronics-and-nanophotonics/devices-and-technologies/microwave-devices-and-antennas (дата обращения: 10.10.2025).
20. Расчет зеРкальных паРаболических антенн с помощью современных сАпр свЧ // electronics.ru. URL: https://www.electronics.ru/news/24727 (дата обращения: 10.10.2025).