Содержание к диссертации
Введение
1 Методы и средства повышения эффективности технологий радиозондирования ионосферы 11
1.1 Особенности распространения декаметровых радиоволн, влияние поверхности земли на диаграмму направленности антенн 11
1.2 Методы и средства реализации технологий радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами 23
1.3 Антенны, используемые для радиозондирования ионосферы 31
1.3.1 Простые декаметровые антенны 34
1.3.2 Синфазные горизонтальные диапазонные антенны (СГД) 38
1.3.3 Ромбические антенны 39
1.3.4 Антенны бегущей волны 42
1.3.5 Логопериодические антенны
1.4 Существующие противоречия, цели и задачи диссертации 47
1.5 Выводы 51
2 Методики расчета характеристик направленности антенн для обеспечения эффективной работы сети ЛЧМ ионозондов 53
2.1 Методы и программные средства для расчета характеристик антенн 56
2.2 Методика получения характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям 60
2.3 Способ интерпретации объемной ДН в виде трехмерной цветной сферической развертки 65
2.4 Методика оценки направленности антенн путем обработки экспериментально полученных ионограмм 67
2.5 Выводы 70
3 Техника эксперимента и результаты численного моделирования 72
3.1 ЛЧМ ионозонд нового поколения 73
3.2 Измерение отношения сигнал-шум ЛЧМ ионозондом и оценка мощности связного сигнала 80
3.3 Определение оптимальной конструкции дельта антенны по диаграммам направленности для вертикального зондирования ионосферы 84
3.4 Макет дельта антенны с широкополосными согласующими элементами 98
3.5 Блок антенного переключателя ЮЗ
3.5.1 Фильтр верхней частоты 106
3.5.2 Работа АП в режиме передачи сигнала 107
3.5.3 Работа АП в режим приема сигнала 108
3.5.4 Исследование прохождения сигналов с управляющих входов 108
3.5.5 Макет блока антенного переключателя 110
3.6 Выводы 111
4 Натурные и численные эксперименты по апробации предложенных методов и устройств ИЗ
4.1 Результаты натурных экспериментов, полученных с помощью ЛЧМ ионозонда 113
4.2 Результаты натурных измерений характеристик антенного переключателя 125
4. 3 Результаты натурных измерений характеристик антенной системы для вертикального зондирования ионосферы 128
4.4 Моделирование и исследование направленности декаметровых антенн для зондирования ионосферы по заданным азимутальным направлениям 136
4.4.1 Результаты моделирования характеристик направленности антенн для радиолиний протяженностью до 300 км 139
4.4.2 Результаты моделирования характеристик направленности антенн для радиолиний протяженностью от 300 до 2000 км 147
4.4.3 Результаты моделирования характеристик направленности антенн для радиолиний протяженностью от 2000 до 3000 км и от 3000 до
6000 км 151
4.4.4 Результаты определения оптимального азимутального направления антенны для работы в режиме ЛЧМ зондирования ионосферы 155
4.4.5 Результаты определения влияния параметров поверхности земли на диаграмму направленности широкополосного горизонтального диполя 162
4.5 Выводы и рекомендации по повышению эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами 166
Заключение 171
Список литературы 175
- Методы и средства реализации технологий радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами
- Методика получения характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям
- Измерение отношения сигнал-шум ЛЧМ ионозондом и оценка мощности связного сигнала
- Результаты натурных измерений характеристик антенной системы для вертикального зондирования ионосферы
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время на фоне интенсивного развития высокоэффективных кабельных, радиорелейных и спутниковых систем связи, значение декамет-ровой (ДКМ) связи не теряет своей актуальности. Стоимость ДКМ радиоканалов на порядок ниже, а помехозащищенность в условиях конфликтных ситуаций выше в сравнении со спутниковыми каналами связи. ДКМ радиосвязь является единственным средством связи в областях, не имеющих инфраструктуры, в труднодоступных районах, поэтому является актуальным ее использование в ведущих отраслях экономики, таких как нефтяная и газовая промышленность, морское судоходство, аэронавигация и геология. Однако изменчивость состояния ионосферы, которая оказывает существенное влияние на условия распространения радиоволн ДКМ диапазона, приводит к необходимости диагностики состояния линии связи, определяя и прогнозируя в реальном времени ее основные характеристики, а по ним возможно оценивать и прогнозировать информационно-технические характеристики систем связи.
Внедрение систем диагностики ионосферы приводит к значительному повышению надежности декаметровой радиосвязи. В настоящее время в России и за рубежом построены сети вертикально-наклонных панорамных ионозондов.
В различные годы большой вклад в развитие систем зондирования ионосферы наземного и космического базирования внесли Н. А. Арманд, Э. Л. Афраймович, В. Д. Гусев, Н. П. Данилкин, В. А. Иванов, В. Е. Куницын, В. И. Куркин, Л. А. Лобачевский, Д. С. Лукин, Р. Г. Минуллин, А. П. Потехин, Н. В. Рябова, В. П. Урядов, Ю. Н. Черкашин. Вопросы синтеза частот, цифровой синхронизации приемопередающей аппаратуры в условиях пространственно-временной обработки сигналов обстоятельно рассмотрены В. В. Шахгильдяном, А. В. Пестряковым.
В направлении развития антенных систем большое внимание уделено исследованию электрического вибратора конечной длины, расположенному в свободном пространстве. Здесь можно отметить работы Е. Галлена, М. А. Леонтовича и М. Л. Левина, Г. 3. Айзенберга, Э. М. Журбенко, В. А. Неганова, Г. А. Ерохина, Д. М. Сазонова, Ю. В. Пименова, Р. Кинга, И. Г. Кляцкина, М. С. Неймана, Н. О. Соколова.
Однако для многих практически важных проблем необходим учет параметров подстилающей поверхности земли особенно в декаметровом диапазоне волн. Вопросы анализа влияния реальной почвы на электрический вибратор конечной длины исследованы значительно меньше. Среди более поздних работ следует отметить исследования, проведенные Б. Ю. Шередько, Ю. М. Сподобаевым, В. Б. Витевским, В. П. Кубановым, О. Н. Масловым, А. Л. Бузовым, В. А. Романовым.
Наиболее полно проблема анализа влияния земли на параметры вибраторных антенн исследована в диссертации М. В. Дмитриева. В этой работе анализ проводился на основе сведения задачи к интегральному уравнению типа Галлена, с использованием функции Грина двухслойного пространства.
Следует отметить, что в последние годы большое внимание уделяется вопросам излучения так называемых полосковых антенн, представляющих собой плоские вибраторы различной конфигурации, расположенные на диэлектрическом слое, то есть на границе раздела сред. Большой вклад в эти исследования внесены В. В. Чебышевым и Е. И. Нефедовым.
В настоящее время разработаны мобильные ионозонды, использующие линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) сигналы для диагностики радиолиний и частотного обеспечения радиосвязи. В адаптивных системах ДКМ связи, а также для научных исследований распространения радиоволн ДКМ диапазона на трассах различной протяженности и географической ориентации используются сети вертикально-наклонных панорамных ЛЧМ-ионозондов, покрывающих территорию страны.
Многопозиционность сети ЛЧМ ионозондов приводит к необходимости минимизации количества приемо-передающих позиций для покрытия требуемой области
пространства. При этом пространственно-избирательные свойства ЛЧМ ионозонда во многом определяются антенными системами.
Принципиально методика анализа пространственно избирательных свойств антенны сводится к решению внутренней и внешней задачи, которые заключаются в нахождении распределения токов в излучающей системе и определении по найденному токовому распределению электромагнитного поля антенны с учетом высоты размещения над поверхностью земли.
Исследование поля излучения антенной системы основывается на определении ее характеристик, в частности диаграммы направленности, и закономерностей ее изменения от конструктивных параметров антенной системы и подстилающей поверхности. Знание пространственно-избирательных характеристик антенных систем и их изменения позволяет определить их влияние на характеристики (показатели) многопозиционной сети ЛЧМ ионозондов.
В условиях сильного влияния поверхности земли на пространственно-избирательные свойства антенных систем, характерных для ДКМ диапазона необходима разработка методик оценки характеристик направленности антенн, при работе по всему диапазону частот.
Оптимизация характеристик декаметровых антенн, используемых в вертикально-наклонных радиозондах, модернизация их конструкции - важная и актуальная задача, в первую очередь, требующая разработки методик и алгоритмов оценки пространственно-избирательных свойств направленности антенн с учетом высоты размещения над поверхностью земли при работе в широком диапазоне частот и разработки технических решений для повышения эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.
Таким образом, цели и задачи работы можно сформулировать следующим образом.
Цель работы заключается в исследовании характеристик ненаправленных антенн декаметрового диапазона для их оптимизации и модернизации конструкции с целью повышения эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1). Разработка методики оценки характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям.
2). Исследование направленности коротковолновых антенн для определения конструкции, обеспечивающей минимальную неравномерность усиления при наклонном зондировании ионосферы по всем азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли для линий наклонного радиозондирования различной протяженности и создание методик и программных средств для решения поставленных задач.
3). Анализ характеристик направленности и синтез конструкции дельта антенн для определения формы, обеспечивающей наибольшее усиление при вертикальном однопозиционном зондирования ионосферы с учетом размещения над реальной землей в широком диапазоне частот.
4). Создание макета антенной системы с антенным переключателем и устройствами широкополосного согласования для однопозиционного вертикального ионозонда и натурные измерения его характеристик.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории распространения радиоволн в ионосфере, электродинамики и теории поля, математического моделирования, натурного измерения характеристик устройств, программирование и расчеты на ЭВМ. При численном моделировании и исследованиях использованы прикладные пакеты программ Turbo Pascal, Tronan Macro Machine, MathCad, Micro Cap VII и MMANA-GALpro. Натурные эксперименты проведены с использованием Западноевропейской и Российской сети ЛЧМ-ионозондов.
Достоверность результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием результатов, полученных путем численного моделирования, с результатам экспери-
ментальных исследований, выполненных в рамках данной работы и другими авторами; повторяемостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
1). Разработаны новые методики оценки характеристик направленности антенн для повышения эффективности работы системы радиозондирования ионосферных радиолиний различной протяженности и географической ориентации по заданным азимутальным направлениям в условиях размещения антенн над реальной поверхностью земли.
2). Разработан новый способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки, позволяющий проводить анализ полной картины пространственной диаграммы направленности антенны в условиях ее значительного излома.
3). Определены оптимальные конструкции и рекомендуемые высоты размещения антенн над землей для связи по всем азимутальным направлениям для реализации технологии наклонного радиозондирования ионосферы.
4). В результате численного моделирования и экспериментальных исследований определена оптимальная конфигурация и конструктивно реализована антенна, позволяющая повысить эффективность технологии однопозиционного вертикального радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.
5). Разработан новый алгоритм и программы определения оптимального азимутального направления, с точки зрения минимизации провалов направленного действия антенны, с учетом влияния поверхности земли по всей совокупности частот декаметрового диапазона.
Практическая ценность результатов работы
Результаты работы позволяют провести более детальные исследования и анализ форм диаграмм направленности антенн, как в верхней полусфере, так и при необходимости, в нижней полусфере, и оперативно определять направления максимальной интенсивности излучения с учетом влияния поверхности земли в условиях сильного излома диаграммы направленности по вертикальному и горизонтальному направлениям одновременно. Способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки позволяет эффективно определять азимутальные направления, в которых формируются максимальные боковые лепестки, что особенно актуально при исследовании направленных свойств фазированных антенных решеток в радиолокации.
Реализация научно-технических результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены ОАО «ММЗ» концерна «Алмаз-Антей». Результаты исследований также использованы в учебном процессе Марийского государственного технического университета. Использование результатов работы подтверждается соответствующими актами.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: проекты № 02-05-651204; 06-02-16089, 06-02-08059, 05-07-90313; 10-02-00620; 09-07-00331-а; 10-07-00466, Федеральных целевых программ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0233); «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проект № 2.1.1/3896).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI, XIII, XIV Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005, 2007Л2008), XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2005), Региональной XI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2005), на IX международной конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2008), на XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011), на XII международной конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 статей опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, из них 1 авторская статья, 3 статьи и 6 тезисов в сборниках Всероссийских и Международных научно-технических конференций, 2 зарегистрированные программы для ЭВМ в отделе регистрации программ РОСПАТЕНТа.
Личный вклад автора. В работах [1, 3,4, 6, 7, 9, 12, 13, 16] выполнена разработка методики оценки характеристик направленности антенн, способа интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки и приведены результаты численного моделирования и экспериментального исследования по данным методикам и способу. Результаты оптимизации конструкции дельта антенны и натурного измерения характеристик созданного макета антенной системы опубликованы в работах [2, 8, 10, 11]. Разработанная программа определения азимутальных направлений, обеспечивающих минимальные значения провалов направленного действия антенны и полученные для нее результаты приведены в работах [5, 14, 15]. Автором проанализированы полученные результаты и сделаны основные выводы. Печатная работа [5] написана автором самостоятельно.
Основные положения, выносимые на защиту:
1). Методики численного моделирования и экспериментального исследования характеристик направленности антенн с использованием результатов панорамного наклонного зондирования сети радиолиний для обеспечения связи по заданным азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли.
2). Способ представления объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки, позволяющий проводить качественный и количественный анализ особенностей направленности антенны одновременно по азимутальным и меридиональным направлениям.
3). Результаты численного моделирования и экспериментального исследования направленности антенн декаметрового диапазона для вертикально-наклонного зондирования ионосферы по заданным азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли для радиолиний различной протяженности и географической ориентации с целью разработки рекомендаций по их использованию.
4). Результаты оптимизации конструкции дельта антенны и натурного измерения характеристик созданного макета антенной системы с антенным переключателем и широкополосными согласующими элементами для реализации режима вертикального однопозиционного радиозондирования.
5). Результаты определения азимутальных направлений, обеспечивающих минимальные значения провалов направленного действия антенны при различных высотах подъема над землей для всей совокупности частот декаметрового диапазона по разработанным алгоритму и программам.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Список литературы включает 123 наименования. Работа изложена на 186 страницах текста и включает 122 рисунка и 12 таблиц.
Методы и средства реализации технологий радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами
Эффективность использования ДКМ диапазона снижается вследствие ряда неблагоприятных особенностей распространения KB: - многолучевое распространение, сопровождающееся глубокими замираниями; - подверженность влиянию ионосферных возмущений; - загруженность частотного канала помехами. Устойчивость и качество работы систем зависит от согласованности характеристик передающих и приемных средств с трактом распространения сигнала. К таким характеристикам относятся: - частотный диапазон аппаратуры; - излучаемая мощность; - ориентировка и ширина диаграммы направленности передающих и приемных антенн; - система разнесенного приема; - щирина полосы канала передачи; - длительность посылок пакетного модема и маневрирования рабочими частотами в процессе работы радиолинии, в зависимости от условий распространения на радиолинии и загруженности частотного канала.
Инструментами для определения состояния КВ-радиолинии в настоящее время являются ЛЧМ ионозонды. История развития ЛЧМ метода зондирования ионосферы представлена в обзоре [34]. В настоящее время ЛЧМ ионозонды вертикального и слабонаклонного зондирования широко применяются для мониторинга ионосферы в месте расположения диагностического комплекса, а также для исследования физических процессов, протекающих в ионосфере при естественных и искусственных возмущениях.
Ионозонды наклонного зондирования применяются для исследования ионосферы вдоль трассы распространения [39], изучения закономерностей распространения радиоволн декаметрового диапазона в различных геофизических условиях [40], в системах частотного обеспечения адаптивных систем связи при оперативном выборе оптимальных рабочих частот (оптимального радиоканала) [39]. ЛЧМ ионозон-ды возвратно-наклонного зондирования применяются при исследованиях ионосферы и состояния морской поверхности в обширных пространственных областях [41], в системах частотного обеспечения KB радиосвязи и в системах частотного обеспечения загоризонтных КВ радаров (для оперативного выбора оптимальных радиоканалов) [42]. Радиотехнические системы ДКМ диапазона, к которым относятся и ЛЧМ ионозонды, рассмотрены в [43]. В силу различного назначения, ионозонды для вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы имеют отличающиеся технические характеристики, основные из которых приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1. Технические характеристики ионозондов Основные характеристики ВЗ нз ВИЗ Радиопередающее устройство (РИДУ) Диапазон частот излучаемого ЛЧМ сигнала, МГц 24-16 4-30 4- Скорость изменения частоты сигнала, кГц/сек 100 --1000 4-1 Мощность излучения, Вт 2-0 2-ь 100 4-10 Уровень побочных дискретных составляющих, дБ -50 -50 -45 Радиоприемное устройство (РПУ) Полоса пропускания РПУ, Гц 500 500 Динамический диапазон, дБ 100 Инструментальное разрешение по задержке, мкс 10- Диапазон наблюдаемых задержек, мс 5 --20 Проблема временной синхронизации в современных ЛЧМ ионозондах решена с применением GPS (Global Positioning Systems) приемников и стандартов опорной частоты, а когерентность ЛЧМ сигналов и высокая линейность закона модуляции реализована с использованием метода прямого цифрового синтеза (DDS - direct digital synthesis) [44]. Сжатый сигнал относится к звуковому диапазону частот и по этому обрабатывается цифровыми методами. Таким образом, современные ЛЧМ ионозонды можно с полным основанием относить к цифровым ионозондам.
В последнее десятилетие в различных регионах земного шара активно проводятся научные исследования на локальных сетях ЛЧМ ионозондов в области физики ионосферы и распространения радиоволн. Развернута мировая сеть ЛЧМ ионозондов, основанная на системе AN/TRQ-35 (Tactical Frequency Sounding System) [45, 46] и включающая 77 передатчиков. Из них 16 расположены в Северной Америке и Северной Атлантике, 28 - в Европе, 12 - в Азии (Австралия), Атлантическом и Тихом океанах. Из 56 передатчиков один имеет мощность излучения 150 Вт (расположен в Турции), 12-5-100 Вт (из них восемь расположены в Европе и четыре - в Азии), а большая часть передатчиков (43) имеет мощность излучения 10 Вт. В основном ионозонды имеют скорость изменения частоты - 100 кГц/с, а австралийские - 125 или 500 кГц/с. Российская экспериментальная сеть (рис. 1.11) включает пять передающих пунктов (Магадан, Хабаровск, Иркутск, Норильск, Йошкар-Ола) и пять приемных пунктов (Иркутск, Йошкар-Ола, Нижний Новгород, Москва, Ростов-на-Дону).
Наибольшие успехи в создании ЛЧМ зондов достигнуты фирмой “Barry Research” (США). Типовые модели ионозондов вертикального и наклонного зондирования данной фирмы VOS-1 [44], RCS-2 [45], RCS-4 позволяли получать высококачественные ионограммы при мощностях излучения 2 -f- 10 Вт. В последнее десятилетие был выпущен целый ряд ЛЧМ ионозондов с радиоприемниками типа RCS-5, RCS-6 и RCS-7 [47] и передатчиками - TCS-5, TCS-6 и TCS-7 [48], а также ЛЧМ трансиверов XCS-6 и TST 4280 [49].
Модификация стандартного ЛЧМ ионозонда фирмы «Barry Research» Аланом Пулом путем введения многоканального приема с цифровой регистрацией и обработкой данных зондирования [50] позволила ему создать в Грахамстауне (ЮАР) моностатический ионозонд вертикального зондирования с регистрацией углов прихода, оценкой поляризации и доплеровской скорости смещения точки отражения волны. Бистатический ЛЧМ ионозонд был сконструирован и построен в Бирмингемском университете (Великобритания) [51] для исследования дисперсионных искажений широкополосных сигналов на коротких радиотрассах. Серия экспериментов на односкачковых трассах в полярных и экваториальных широтах была выполнена для изучения эффектов рассеяния на ионосферных неоднородностях.
Методика получения характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям
В диапазоне декаметровых волн в основном в качестве передающих антенн для радиосвязи широкое распространение получили ромбические горизонтальные (РГ) антенны [18]. Такая антенна представляет собой двухпроводную линию, выполненную в виде ромба, к одному из острых углов которого подводится ЭДС высо кой частоты, к другому присоединяется нагрузочное сопротивление, равное волновому еопротивлению ромбовидной линии, вследствие чего в проводах антенны устанавливается режим бегущей волны. Антенна подвешивается горизонтально на четырех опорах высотой (1,0 4- 1,25 Ло.
Схематично внешний вид антенны РГ представлен на рис. 1.23, где 1 - питающая линия, 2 - опоры, 3 - изоляторы, 4 - нагрузочное сопротивление в виде поглощающей линии. Такая антенна является диапазонной как по направленным свойствам, так и по входному сопротивлению. Она может работать на любой фикеированной частоте примерно в диапазоне 2, 5:1, сохраняя при этом удовлетворительные направленные свойства и почти неизменный высокий КБВ в питающей линии.
Так как расстояние между проводами, из которых выполнена антенна, непостоянно, то в действительности волновое сопротивление увеличивается от 600 -е- 700 Ом у острого угла ромба и примерно до 1000 Ом у его тупого угла, что вызывает местные отражения и нарушает режим бегущей волны. Чтобы сделать изменение волнового сопротивления менее существенным, каждую сторону ромба выполняют из двух расходящихся к тупому углу проводов. Расстояние между этими проводами увеличивается от нуля у острого угла до 2 ч- 2,5 м у тупого угла, при этом волновое сопротивление выравнивается по длине антенны. При питании такого ромба поередством фидерной линии с волновым сопротивлением 700 Ом КБВ в ней получается весьма высоким во всем рабочем диапазоне. В вертикальной плоскости (пренебрегая затуханием тока в проводах и считая землю идеально проводящей) ДН можно определить по формуле м-ї Я іф- м - y (1.9) где Я - высота размещения над поверхностью земли ромба. Оптимальные размеры ромба /, Ф и Я выбирают так, чтобы обеспечить наиболее интенсивное излучение под наиболее вероятными углами прихода лучей в место приема (Дш), значение которых зависит от длины линии радиосвязи. При заданном БИБЛИОТЕКА" угле Ат&% оптимальные значения /, Ф и Н находят из условия максимума первого (Ф), второго (/) и третьего (Я) множителей в (1.9): Ф = 90-Дгаах; / = A0/(2.sin2(Amax)); Н = V(4-sin(Amax)). (1.10)
Расчеты показали, что уменьшение длины стороны ромба в 1,5 т 2 раза по сравнению с оптимальным значением не вызывает заметного уменьшения КУ. При длине магистрали 1500 - 2000 км обычно принимают Лтах = 15. В этом случае берут / = 4-Ло; Ф = 65; Н = AQ. При большей длине магистрали оптимальные размеры ромба возрастают (обычно Ф = 10 15, / = 6-До, Я = 1, 25-Ло).
Входное сопротивление ромба в диапазоне волн (0,8 -г- 2,5)-Л изменяется в пределах 800 500 Ом. Часть мощности Р0, подводимой к антенне, теряется в нагрузочном сопротивлении (и значительно меньше - в проводах ромба); КПД антенны колеблется от 0,4 ч- 0,7 на длинноволновом краю диапазона (Я/AQ = 2) до 0,55 -ь 0,8 на коротковолновом краю (Я/До = 0,8).
Ромбическая антенна подвешивается горизонтально на четырех опорах. Поскольку провода антенны расположены по сторонам ромба, расстояние между ними меняется и соответственно меняется волновое сопротивление. Изменение волнового сопротивления вызывает появление обратной волны, наличие которой приводит к увеличению излучения в обратном направлении и зависимости входного сопротивления от длины волны. Для уменьшения этого эффекта боковые стороны ромба обычно выполняют из двух расходящихся проводов, расстояние между которыми максимально у вершины тупого угла. Такое выполнение конструкции антенны позволяет уменьшить изменение волнового сопротивления вдоль нее.
Для улучшения электрических параметров антенны Г. 3. Айзенбергом была предложена двойная ромбическая горизонтальная (РГД) антенна, состоящая из двух горизонтальных, наложенных один на другой ромбов (с небольшим разносом по вертикали), смещенных относительно друг друга в направлении малой диагонали на расстояние dx порядка До (рис. 1.24). Обе ромбические антенны питаются параллельно и синфазно.
Уровень боковых лепестков ДН антенны РГД в горизонтальной плоскости значитель- Рис. 1.24. Двойная но ниже, чем у антенны РГ таких же разме- ромбическая горизонтальная антенна ров. Так как оба ромба, входящие в антенну РГД, включаются параллельно, то волновое и входное сопротивление антенны оказываются в 2 раза меньше, чем у антенны РГ, что приводит к увеличению КПД (до 65 85 %).
Коэффициент усиления увеличивается по сравнению с антенной РГ примерно в 1,5-5-2 раза вследствие снижения УБЛ и повышения КПД. Антенна РГД питается с помощью двухпроводного фидера с волновым сопротивлением 600 Ом, который присоединяется к антенне с помощью четырехпроводного фидерного трансформатора, понижающего волновое сопротивление от 600 до 300 Ом.
Антенна бегущей волны (АБВ) является широкодиапазонной (коэффициент перекрытия может достигать 2,5 -ь 3) и применяется только для приема [14]. Антенна состоит из и симметричных вибраторов, находящихся друг от друга на одинаковых расстояниях, присоединенных через развязывающие сопротивления (элементы связи) к собирательной линии (рис. 1.25, а). К концу собирательной линии присоединяется поглощающее сопротивление Ян равное ее волновому сопротивлению, к началу линии - приемник. Антенна подвешивается горизонтально над землей на высоте Н- 16 ч- 40 м.
Измерение отношения сигнал-шум ЛЧМ ионозондом и оценка мощности связного сигнала
Программа MMANAGALpro позволяет строить графики сечений диаграмм на-правленности в азимутальной и меридиональной плоскостях в полярной системе координат при задании параметров реальной земли. Однако как показал опыт по-строения таких сечений, влияние поверхности земли приводит к появлению много-лепестковости диаграммы направленности в меридиональной плоскости. Кроме того, широкий диапазон частот от 3 МГц до 30 МГц приводит также к появление мно-голепестковости и в азимутальном направлении в верхней части рабочего диапазона частот. В этих условиях объемная диаграмма направленности становится сложной объемной поверхностъю. Наглядное представление трехмерной формы, которое можно получить с помощью инструмента самой программы имеет ряд недостатков, в частности, все диаграммы являются нормированными и сложно сориентироваться как по углам прихода, так и по значениям коэффициента направленности, кроме того трудно сравнить и оценить формы ДН при различных параметрах реальной земли и различных высотах размещения антенн над ней на разных частотах.
Однако интерфейс программы позволяет выводить ненормированные значения коэффициента направленности антенны в различных направлениях верхней полусферы в виде исходного текстового файла, что позволяет анализировать и строить трехмерные картины зависимостей КН по требуемым углам прихода по всем азимутальным направлениям.
В условиях многолепестковости объемной диаграммы направленности наибо-лее полным информативным с точки зрения анализа особенностей направленности антенны одновременно по азимутальным и меридиональным направлениям, является представление трехмерной картины ДН в цилиндрической системе координат, где по углу откладывается реальное направление по азимуту, по радиусу - углы прихода сигнала, которые при необходимости программно пересчитываются в дальность по поверхности земли [73], а значение НД от минус 60 дБи до плюс 20 дБи отобра-жается в виде 256-цветной точки в формате Rainbow.
Трехмерные цветные сферические развертки ДН дают более наглядное представление полной картины объемной диаграммы направленности антенны и являются удобным инструментом анализа при выборе высоты размещения над землей и правильной ориентации ее на требуемое направление. Способ построения сферической развертки трехмерной ДН заключается в следующем: 1). Пол.чение массивов численных данных ненормированных нначений КН с помощью возможностей программы MMANA в верхней полусфере на заданной высоте размещения над землей с заданием реальных параметров Земли (є и о). Подробно описано в п. 2.3, см. п. п. 1) -5- 5). 2). Обр.ботка массивов полученных данных с целью определения максимального и минимального значений КН для построения всех диаграмм в едином масщтабе. Возможно, как использование программы Excel, так и программы MathCad. 3). Неп.средственная обработка массивов численных данных ненормированных значений КН и построение цветной трехмерной сферической развертки ДН с помощью возможностей программы MathCad или аналогичной.
В представляемой работе построение трехмерных цветных сферических разверток ДН проводилось в программе созданной автором на языке MathCad, с дальнейшим сохранением данных в формате jpg. Примеры трехмерных цветных сферических разверток ДН, построенных разработанным способом представлены на рис. 2.1.
Для всех рассчитанных массивов численных данных ненормированных значений КН исследованных антенн построены цветные трехмерные развертки для дополнительного визуального контроля корректности расчета программы MMANA. 2.4 Методика оценки направленности антенн путем обработки экспериментально полученных ионограмм
Для сопоставления результатов моделирования направленности антенн по известным азимутальным направлениям и углам прихода с экспериментальными результатами распространения в односкачковом режиме по трассам Кипр - Йошкар-Ола, Норильск - Йошкар-Ола, Иркутск - Йошкар-Ола разработана методика оценки направленности антенн путем обработки экспериментально полученных ионограмм.
При диагностике прохождения радиоволн декаметрового диапазона использовался цифровой ЛЧМ ионозонд нового поколения, созданный в лаборатории Распространения радиоволн и физики ионосферы МарГТУ [34, с. 46 - 51]. В настоящее время приемный комплекс ЛЧМ ионозонда МарГТУ представляет собой современный радиофизический инструмент для диагностики ионосферы, адаптированный по своим параметрам к передатчикам ионозондов Западно-Европейских стран.
Радиоприемное устройство ЛЧМ ионозонда осуществляет сжатие зондирующего сигнала в частотной области, формируется ионограмма НЗИ, строится график зависимости времени группового запаздывания от частоты, который называется дистанционно-частотной характеристикой (ДЧХ) радиолинии или ионограммой наклонного зондирования ионосферы (НЗИ).
Пример ионограммы НЗИ для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола При рассмотрении изображения ионограммы можно выделить три основных типа объектов: полезный сигнал (как правило протяженные по горизонтали кривые), фоновый шум (основной фон) и сосредоточенные помехи (вертикальные линии), одиночные выбросы (локальные всплески яркости размером 1 - 2 точки). То есть объектами ионограммы являются как полезный сигнал, так и комплекс помех. В общем случае ионограмма является трехмерной, где третьей координатой является амплитуда принятого сигнала в виде цветной 256 уровневой точки в шкале формата Rainbow (на рис. 2.2 ионограмма приведена в серых 256 уровневых полутонах). Полученные файлы для каждого интервала времени за сутки в течении месяца в различные сезоны времени года хранятся в банке данных МарГТУ.
На ионограмме отображаются сигналы, распространяюшиеся от передатчика к приемнику за счет различных механизмов (в основном за счет скачков). В литературе последние зазываются скачковыми модами. В нашем примере это моды: 2F2, 3F2, 4F2, 5F2, 6F2 (снизу вверх). Для моды 2F1 на рис. 2.2 хорошо виден верхний луч (луч Педерсена). Частота, на которой смыкаются нижний и верхний лучи (для нашего примера на рис. 2.2 это 20 МГц), принимают за максимально применимую частоту радиолинии (МПЧ). На практике по ионограммам наклонного зондирования ионосферы также определяют наименьшую наблюдаемую частоту (ННЧ) и максимально наблюдаемую частоту (МПЧ). Для рис. 2.2 ННЧ = 8 МГц, МНЧ = 21 МГц. Эти две частоты задают диапазон возможных частот для данного момента времени на используемой радиолинии. Таким образом, ионосферная радиолиния играет роль полосового фильтра, пропуская на выход частоты от ННЧ до МНЧ. В нашем примере, полоса частот фильтра составляет 13 МГц. Данный диапазон условно можно разбить на частотные каналы связи, характеризуемые полосой пропускания и рабочей частотой. Для рис. 2.2 можно иметь 13-106/3-10 » 4333 рабочих канала с полосой пропускания 3 кГц. Под оптимальным частотным каналом дискретной связи понимается такой канал, при передаче информации по которому вероятность ошибки будет наименьшей. Можно определить также диапазон оптимальных рабочих частот (ДОРЧ), т. е. диапазон частот, для которого средняя вероятность ошибки меньше некоторого допустимого для заданного вида связи уровня.
Результаты натурных измерений характеристик антенной системы для вертикального зондирования ионосферы
Для получения наиболее полной информации об ионосфере в данной географической точке необходимо использование аппаратуры вертикального зондирования ионосферы. Важной составной частью любой приемопередающей аппаратуры является антенная система. Для зондирования в вертикальном направлении необходимо сформировать диаграмму направленности обеспечивающую равномерное усиление в зенитном направлении на частотах от 3 МГц до 20 МГц.
Влияние поверхности земли и широкий диапазон требуемых рабочих частот, как было описано ранее, приводит к многолепестковости объемной ДН.
Проведено моделирование различных конструкций дельта антенн и для аппаратуры вертикального зондирования ионосферы с целью получения оптимальной конфигурации по характеристикам направленности, а также моделирование конструкции штатной антенны АН-710 и сравнение характеристик направленности с аналогичными характеристиками дельта антенн.
Для построения моделей и получения характеристик направленности использована программа моделирования антенн - MMANA.
При моделировании и анализе полученных диаграммы направленности штатной антенны АН-710 в диапазоне частот 3 ч- 20 МГц наблюдаются провалы в вертикальном направлении, когда длина антенны становится больше рабочей длины волны [103]. В связи с этим была предложена конструкция в виде дельта антенны, характе-тзистики которой были исследованы и опубликованы [104 - 106]. В связи с тем, что программа MMANA не учитывает эффект роста составляющей сопротивления потерь реактивного поля ближней зоны антенны (радиус которой составляет Я/ 2л ) [107, стр. 90] рассмотрены высоты размещения антенны от 16 м до 40 м над реальной землей.
При заданных размерах конструктивная резонансная частота антенны составляет 7,25 МГц (размах антенны - Л/2). Частота 14,5 МГц является второй гармоникой резонансной частоты и при этой частоте размах антенны равен Я и главный лепе сток диаграммы направленности симметричного петлевого вибратора в вертикальном направлении раздваивается на два лепестка и появляется провал до минус 18 дБ. Из анализа построенных графиков зависимости коэффициента направленного действия антенны в вертикальном направлении от частоты при различных высотах размещения над реальной землей выявлено, что коэффициент направленности петлевого вибратора в вертикальном направлении зависит от высоты размещения над реальной землей, причем влияние на усиление до 10 дБ. Особо следует отметить значительный провал усиления в вертикальном направлении до минус 17 дБ на частоте 14,5 МГц, обусловленный работой на второй гармонике. Коническое сечение полной диаграммы направленности в азимутальной и меридиональной плоскостях на частоте 14,5 МГц на высоте 22 м над реальной землей приведена на рис. 3.8. Влияние высоты размещения над реальной землей также наблюдается изменением КН в вертикальном направлении до 16 дБ. Оптимальная высота размещения с точки зрения получения максимального КН в вертикальном направлении на частоте 14,5 МГц составляет 22 м, при этом обеспечиваться усиление минус 10 дБи (в наихудшем случае, например, при высоте размещения над землей 30 м направленность ухудшается до минус 17 дБи).
Сечения ДН в азимутальной и меридиональной плоскостях для антенны АН-710 Конструктивно антенна дельта 12 х 2 м представляет собой равнобедренный треугольник с вершиной направленной вверх, основанием длиной 12 м, расположенным параллельно поверхности земли и высотой 2 м. Внешний вид модели дельта антенны 12 х 2 м, реализованной в программе MMANA, приведен на рис. 3.9. циента направленности антенны в вертикальном направлении от частоты при различных высотах размещения над реальной землей и их анализ показывает, что коэффициент направленности антенны дельта 12 х 2 м в вертикальном направлении зависит от высоты размещения над землей и изменяется от 6 дБи до минус 11 дБи. Минимальное значение
КН минус 7 дБи наблюдается при высотах размещения антенны 20 - 22 м над реальной землей. Отсутствует значительный провал, характерный для антенны АН-710 на частоте 14,5 МГц до минус 17 дБи.
Конструкция антенны дельта 12 х 3,5 м представляет собой равнобедренный треугольник с вершиной направленной вверх, основанием длиной 12 м, расположенным параллельно поверхности земли и высотой 3,5 м. Внешний вид модели дельта антенны 12 х 3,5 м, реализованной в программе MMANA, приведен на рис. 3.10.
Построение зависимостей коэффициента направленности антенны в вертикальном направлении от частоты при различных высотах размещения над реальной землей приведены и их анализ показывает, что КН антенны дельта 12 х 3,5 м в вертикальном направлении зависит от высоты размещения над землей. причем изменение КН происходит ОТ 6 дБ до минус 9 дБ. Минимальное значение КН минус 8 дБи наблюдается при высоте размещения антенны 21 м над реальной землей. размешения над реальной землей показывает, что направленность антенны дельта 12 X 6 м в вертикальном направлении зависит от высоты размешения над землей, причем изменение КН происходит от 6 дБ до минус 11 дБ. Минимальное значение КН минус 9 дБи наблюдается при высотах размещения антенны 18 ч- 22 м над реальной землей.
