Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основные принципы построения антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС 15
1.1 Исследование схем построения сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных ФАР 15
1.2 Исследование малогабаритных однонаправленных излучателей для приемных антенн 34
1.3 Алгоритм "согласования" по шумам излучателей приемной антенны 45
1.4 Анализ взаимодействия передатчиков в активной ФАР 58
1.5 Алгоритм реализации заданного амплитудно-фазового возбуждения излучателей в передающей активной ФАР 63
Глава 2 Исследование антенн и антенных систем для загори зонтных РЛС поверхностной волны
2.1 Основные принципы расчета и измерения внешних характеристик антенн 70
2.2 Исследование влияния асимметричного противовеса на уг-ломестные характеристики несимметричных излучателей 94
2.3 Исследование способов уменьшения влияния наземного рефлектора на угломестные характеристики излучателей вертикальной поляризации 113
2.4 Исследование сверхширокополосной передающей антенны с управляемой поляризацией 126
2.5 Исследование сверхширокополосной малогабаритной передающей антенны с укороченными Т-образными вибраторами 141
2.6 Исследование синфазных волн в сверхширокополосной антенне с наклонным распределительным фидером 151
2.7 Исследование активных передающих антенных решеток 158
2.8 Исследование приемной сверхширокополосной ФАР 178
2.9 Исследование самонесущего вибратора вертикальной поляризации для приемной антенны 200
2.10 Анализ возможностей реализации антенн поверхностной волны на морских судах 211
Глава 3 Антенны и антенные системы для загоризонтных РЛС пространственной волны 218
3.1 Исследование передающей активной ФАР 218
3.2 Оптимизация параметров вертикального рефлектора 246
3.3 Исследование приемной ФАР 253
3.4 Исследование антенн для измерения внешних характеристик наземных антенных систем 269
Заключение 280
Список литературы 284
- Исследование малогабаритных однонаправленных излучателей для приемных антенн
- Алгоритм реализации заданного амплитудно-фазового возбуждения излучателей в передающей активной ФАР
- Исследование синфазных волн в сверхширокополосной антенне с наклонным распределительным фидером
- Оптимизация параметров вертикального рефлектора
Введение к работе
. Диссертация носит научно-практический характер и направлена на решение крупных научно-технических задач, имеющих большое народно-хозяйственное значение. Она посвящена вопросам оптимального проектирования сверх-широкополосных передающих и приемных антенн и активных антенных систем КВ диапазона для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной (земной) волны. Оптимальность подразумевает получение наилучших технических характеристик при предельно сниженных материальных затратах. В основу предлагаемой методики по проектированию и созданию новых конструкций КВ антенных систем положены:
-
Обобщение опыта многолетних исследований автора, включая запатентованные и успешно реализованные технические решения.
-
Численные методы машинного моделирования с использованием сертифици-рованных математических моделей.
-
Полученные автором достаточно простые инженерные соотношения, позволяющие проектировать оптимальные АФУ.
Актуальность темы. Большинство эксплуатируемых в настоящее время РЛС работают в пределах прямой видимости и для своевременного обнаружения целей они должны располагаться вблизи границ, что затрудняет их защиту и обслуживание. Кроме того, в связи с небольшой дальностью действия таких РЛС, определяемой высотой антенн, их количество должно быть достаточно большим, чтобы закрыть все границы. Разумной альтернативой являются загоризонтные (ЗГ) РЛС, работающие в диапазоне коротких волн (КВ), т.е. на частотах от 3 до 30 МГц.
Само название загоризонтных РЛС говорит об их возможности обнаруживать цели за линией горизонта. При построении загоризонтных РЛС используется свойство отраже-ния волн КВ диапазона от ионосферы – в случае загоризонтных РЛС пространственной волны или малые потери в морской поверхности – в случае загоризонтных РЛС поверхностной волны.
Благодаря использованию в загоризонтных РЛС волн КВ диапазона удается обнаруживать цели, выполненные с применением технологии «Стелсс».
Как правило, загоризонтные РЛС пространственной волны располагаются внутри страны и, следовательно, лучше защищены, а благодаря большой дальности действия (~ 3500 км) и соответственно охвату значительных территорий, их количество может быть сведено до минимума – т.е. всего несколько РЛС на всю территорию страны. Поэтому, несмотря на достаточно высокую стоимость таких РЛС, актуальность создания загоризонтных РЛС сохраняется и по настоящее время. Кроме того, такие РЛС могут использоваться и при сопровождении гражданских самолетов над малонаселенными территориями страны.
В случае загоризонтных РЛС поверхностной волны, располагаемых у морской поверхности и служащих для наблюдения за морскими объектами, дальность действия составляет ~ 350 км. Эти РЛС могут широко использоваться и в мирных целях при геофизических исследованиях морей и океанов, что активно реализуется в последнее время.
При создании загоризонтных РЛС существенное значение имеют два обстоятельства. Во-первых, возможности ЗГ РЛС по дальности действия и точности определения координат наблюдаемых объектов напрямую зависят от таких параметров антенн как: ширина луча, коэффициент усиления, сектор обзора (сканирования ДН), полоса рабочих частот, согласование с передатчиком. Во вторых – поскольку загоризонт-ные РЛС работают в КВ диапазоне, то конструкции их антенн и антенных систем оказываются достаточно громоздкими, что и определяет их большую стоимость, которая в общей стоимости РЛС может достигать (40…50)%. Поэтому разработка и исследование новых принципов и схем построения оптимальных (с точки зрения материальных затрат) антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны является актуальной задачей, имеющей большое народно-хозяйственное значение.
Еще одной особенностью антенн КВ диапазона является трудность измерения их внешних характеристик в условиях реальной местности. Для этих целей необходимо создание сложных и дорогостоящих летных измерительных комплексов. При этом, в отличие от СВЧ антенн, не все характеристики КВ антенн можно измерить на их электродинамических моделях, поскольку масштаб моделирования оказывается очень большим и возникают трудности с практической реализацией таких моделей и их адекватностью с реальной антенной. Кроме того, исключается и возможность смоделировать влияние реальной почвы на внешние характеристики КВ антенн. Также не моделируется и влияние на характеристики приемных антенн внешних, атмосферных и галактических шумов.
Все перечисленные трудности создания подобных антенн и антенных систем выдвигают повышенные требования к их оптимальному проектированию. При этом практически единственным инструментом исследования подобных антенн является проведение численного моделирования с использованием компьютерных моделей.
В настоящее время отсутствует необходимая специальная литература, а также достаточно подробная и обоснованная методология оптимального проектирования подобных антенных систем, что приводит, в ряде случаев, к неоправданно большим затратам и построению не всегда качественных изделий.
Решению задач оптимального проектирования новых КВ антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС, а также ликвидации пробелов в специальной литературе и посвящена настоящая работа.
Целями диссертационной работы являются:
1) Разработка и исследование новых принципов построения оптимальных передающих и приемных сверхширокополосных антенн и активных антенных систем для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны.
2) Разработка методологии их проектирования и исследования.
3) Реализация методологии проектирования в ряде новых запатентованных конкретных устройств.
Методика исследования. Общая методика исследований, в силу отмеченных выше экспериментальных трудностей, базируется, в основном, на процедуре численного моделирования.
Сравнительные исследования показали, что для этих целей наиболее подходящим является достаточно мощный сертифицированный программный комплекс MMANA, разработанный японским программистом Макото. В программе MMANA используется ядро MININEC, в котором производится численное решение интегрального уравнения, составленного относительно токов, текущих в проводах антенны. Решение ищется в тонкопроволочном приближении с помощью метода моментов. Таким образом, антенны КВ диапазона, выполняемые, как правило, из тонких проводов (rп<<), наиболее полно отвечают требованиям программы, что и позволяет получать результаты расчетов, хорошо совпадающие с экспериментальными данными.
В тех случаях, где не требуется учитывать влияние земли на характеристики антенн, исследования проводятся на физических моделях (макетах).
Научная новизна работы состоит в следующем:
– исследована и обоснована, предложенная автором, новая схема оптимального построения сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных фазированных антенных решёток (АФАР) диапазона КВ, обеспечивающая наилучшие технические характеристики при максимально сниженных материальных затратах;
– исследована и обоснована, предложенная автором, новая схема построения сверх-широкополосной активной антенной системы, позволяющая расширить в ~ 2 раза (с 40 % до 80 %) полосу электронной перестройки частоты передатчиков (усилителей мощности) в передающей АФАР, либо приемников (приемных каналов) в приемной АФАР и, тем самым, повысить дееспособность РЛС;
– разработан и исследован, предложенный автором, новый алгоритм согласования по шумам в приемных антеннах КВ диапазона;
– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной антенны КВ диапазона с управляемой поляризацией (Патент № 62740); результаты численного моделирования подтверждены экспериментом;
– разработана и исследована компьютерная модель для новой сверхшироко-полосной антенны вертикальной поляризации, в которой используются симметричные, укороченные в ~ 2 раза вибраторы с Т-образными плечами (Патент № 93590);
– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной совмещенной приемной антенной системы вертикальной
поляризации для загоризонтных РЛС поверхностной волны;
– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной совмещенной приемной антенной системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны;
– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной передающей антенной системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны;
– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой специфической антенны, устанавливаемой на геофизических ракетах (Авторское свидетельство № 1401534);
– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой передающей антенны, устанавливаемой на специальный спутник Земли (Авторское свидетельство № 1302966).
Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:
– с помощью предложенной и разработанной автором методики была спроекти-рована оптимальная сверхширокополосная передающая антенная система для загоризонт-ной РЛС пространственной волны и в настоящее время завершается её строительство;
– ведется проектирование новой сверхширокополосной передающей антенной системы с использованием в ней предложенных автором новых сверхширокополосных малогабаритных излучателей и схемы двухкратного расширения полосы электронной перестройки частоты;
– с помощью предложенной автором новой специальной приемной измерительной антенны для геофизических ракет, были проведены измерения высотного распределения электро-магнитного поля, излучаемого передающим АФУ в загоризонтной РЛС пространственной волны;
– с помощью предложенной автором новой передающей антенной системы для специального спутника Земли, была проведена калибровка приемного АФУ в загоризонтной РЛС пространственной волны и проведено исследование характеристик распространения радиоволн КВ диапазона;
– большое количество публикаций по рассматриваемым в диссертации вопросам позволяет в какой-то мере заполнить существующий в настоящее время пробел в специальной литературе по проектированию АФУ для загоризонтных РЛС.
Внедрение результатов работы:
– предложенная и разработанная автором методология оптимального проектирования передающих и приёмных антенных систем, использовалась в ОАО «НПК «НИИДАР» при создании загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны, о чём свидетельствуют 3 акта внедрения результатов диссертационной работы в разработках ОАО «НПК «НИИДАР»;
– с помощью предложенной автором новой рамочной измерительной антенны, устанавливаемой на геофизических ракетах, проводились лётные испытания передающих антенных систем загоризонтных РЛС пространственной волны путем измерений высотного распределения электромагнитного поля, а также исследовались характеристики распространения радиоволн в условиях ионосферы;
– предложенная автором новая передающая антенная система, установленная на специальном спутнике Земли, позволила провести калибровку приемной антенной системы загоризонтной РЛС пространственной волны, а также провести исследования по распространению радиоволн в верхних слоях атмосферы.
Достоверность результатов подтверждена экспериментально, а также путем проведения летных испытаний и измерения радиотехнических характеристик на уже построенных объектах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXVIII международной конференции «Теория и техника антенн», г. Москва, 1998 г., на XII, XV и XVI международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж, в 2006 г., 2009 г. и 2010 г., на VIII международном симпозиуме "Электромагнитная совместимость и экология" г. Санкт-Петербург, 2009 г., а также были опубликованы в журналах «Электросвязь» в 1991 г. и «Антенны» (входит в перечень ВАК) в период с 2006 по 2011 г.г. включительно.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Новые принципы построения оптимальных (с точки зрения как технических характеристик, так и материальных затрат) сверхширокополосных и сверхширокоугольных антенных систем.
2. Новая схема сверхширокополосной активной ФАР с двухкратным расширением полосы электронной перестройки частоты (с ~ 40 % до ~ 80 %).
3. Исследование влияния асимметричного противовеса на угломестные ДН несимметричных
излучателей вертикальной поляризации.
4. Исследование новой сверхширокополосной симметричной передающей антенны вертикальной поляризации с уменьшенными в ~2 раза вертикальными габаритами.
5. Методология согласования по шумам входов элементов АФУ для приёмных антенн КВ диапазона.
6. Исследование новых сверхширокополосных приемных антенных систем КВ диапазона с совмещенным размещением излучателей различных поддиапазонов.
7. Исследование специфических измерительных антенн для геофизической ракеты и спутника Земли.
Структура диссертации. Текст работы содержит введение, 3 главы, заключение и список литературы (96 наименований) и приложения, содержащие 3 акта внедрения и расчёт показателей качества для целевой функции. Общий объем работы 300 страниц.
Исследование малогабаритных однонаправленных излучателей для приемных антенн
Кроме того, двукратное увеличение угла сканирования приводит и к другим недостаткам АФАР, а именно: - в пределах сектора обзора ширина ДН в плоскости сканирования увеличивается (на границах сектора) в 2 раза (относительно неотклоненной ДН); - в сверхширокоугольной АР при больших углах сканирования ухудшаются и поляризационные характеристики; - ухудшение согласования в таких АР (при больших углах сканирования ДН) практически невозможно устранить, поскольку нет компенсирующих устройств или схем, параметры которых изменялись бы в зависимости от угла сканирования.
Для устранения всех отмеченных выше недостатков сверхширокоугольной АР можно предложить другую схему построения АФАР. Эта схема показана на рисунке 1.3. Здесь вместо одной сверхширокоуголь о о ной АР с (Змакс= ±60 , применены две широкоугольные АР с рмакс = ±30 , расположенные друг к другу под углом 120 . В этом случае трансформация ДН не превышает всего 13 % и, следовательно, все основные радиотехнические характеристики такой антенны будут более стабильными во всем секторе обзора.
Благодаря применению коммутатора удается уменьшить количество АЭ (по сравнению со сверхширокоугольной антенной) более чем в 2 раза (в 2,15 раза), а если исключить коммутатор и установить свои АЭ для каждой из широкоугольных АР, то и тогда экономия АЭ составит (в линейной АР) 15 %. При этом, суммарная проекция длин раскрывов 2-х широкоугольных АР на плоскость расположения сверхширокоугольной АР не превысит ее длины раскрыва. левый сектор правый сектор N„(±30) правый сектор LL = 2- Lp (± 30). cos 30 = Lp (± 60) NA3 = N„(±30) Рисунок 1.3 Схема сверхширокоугольной двухсекционной АФАР За счет уменьшения в 2 раза рмакс и, как следствие, более редкого расположения излучателей в каждой из секций, существенно улучшается согласование излучателей в режиме сканирования ДН.
Таким образом, на основании вышеизложенного, можно сделать очень важный вывод: нецелесообразно как с экономической, так и с точки зрения получения качественных радиотехнических характеристик применять сверхширокоугольные АФАР с рМакс = ±60 , а использовать вместо них 2-х секционные АФАР, выполненные на базе двух широко о угольных АР с рмакс = ±30 . Рассмотрим вариант 2-х литерной АФАР, т.е. АФАР состоящей из 2-х электродинамически подобных АР, каждая из которых работает в своем поддиапазоне частот: низкочастотном (НЧ) и высокочастотном (ВЧ), имеющих соответственно коэффициенты перекрытия tHH BH-1,41 — J t ДрЧ В результате перехода на 2-х литерную схему АФАР количество излучателей в одном литере АР уменьшится в 1,41 раза, а общее количество излучателей в АФАР возрастет при этом на 40 %. Следует отметить при этом, что габариты излучателей ВЧ литера будут в 1,41 раза меньше, чем - в НЧ литере, в то время как габариты излучателей сверхширокополосной АФАР соответствуют габаритам излучателей НЧ литера, поскольку размеры излучателей определяются по Амакс. В результате стоимость 2-х литерной антенны возрастет меньше, чем на 40 %.
На рисунке 1.4 приведена схема 2-х литерной АФАР с использованием коммутаторов, которая позволяет уменьшить количество АЭ до количества излучателей одного литера. На самом деле такого коммутатора в явном виде может и не быть, поскольку по сути дела он "спрятан" в самом АЭ.
В качестве примера на рисунке 1.5 показана блок-схема выходного каскада передатчика. Полоса электронной перестройки частоты такого передатчика определяется выбором оптимальной конструкции фильтра гармоник. Для обеспечения необходимого уровня фильтрации 2-ой гармоники коэффициент перекрытия диапазона частот фильтра берется равным -1,41, а это как нельзя лучше согласуется с коэффициентом перекрытия для одного литера АР, который также был выбран равным 1,41. усилитель мощности НЧ литер
Как видно из этой таблицы замена одной сверхширокополосной и сверхширокоугольной АФАР (см. рисунок 1.2) на 4 антенные решетки, согласно схеме на рисунке 1.6, позволяет уменьшить количество дорогих АЭ в 3 раза при одновременном улучшении радиотехнических характеристик. За это приходится заплатить увеличением количества из 26 лучателей на 30 %, а также некоторым увеличением габаритов антенной системы. Однако, это разовые затраты, обусловленные необходимостью изготовления дополнительных излучателей и они незначительны по сравнению со стоимостью уменьшенного в 3 раза количества АЭ и соответствующего снижения потребляемой электроэнергии, в процессе эксплуатации изделия.
Алгоритм реализации заданного амплитудно-фазового возбуждения излучателей в передающей активной ФАР
Под передающей активной фазированной антенной решеткой (АФАР) будем понимать такую антенную решетку (АР), в которой к каждому излучателю подключен свой передатчик или усилитель мощности (УМ), работающий от общего возбудителя. В результате, в связи с взаимодействием излучателей АР, возникает и взаимодействие передатчиков или их электромагнитная совместимость.
В диапазоне СВЧ между передатчиком и излучателями устанавливается циркулятор, который «развязывает» выход передатчика от сигналов, отраженных от «своего» излучателя, а также наведенных в нем соседними передатчиками в результате взаимодействия излучателей. Схема запитки излучателей АФАР в диапазоне СВЧ показана на рисунке 1.24.
С помощью циркулятора отраженная от излучателя волна уходит в согласованную нагрузку (СН). В результате передатчик оказывается «развязанным» относительно остальных передатчиков АФАР, что и обеспечивает его стабильную работу в режиме СН. В диапазоне KB циркуляторы отсутствуют и волна, отраженная от излучателя, попадает в выходную цепь рассматриваемого передатчика и изменяет его режим работы. В целях стабилизации излучаемой мощности применяется система автоматического регулирования амплитуды и фазы (АРАФ). Эта система с помощью направленного ответвителя (НО) и цепи обратной связи изменяет режим работы передатчика таким образом, что стабилизирует амплитуду и фазу напряжения падающей волны в тракте излучателя. Схема запитки излучателей АФАР в KB диапазоне приведена на рисунке 1.25.
Если каждый из излучателей АФАР является сверхширокополосным и согласован с фидером во всем диапазоне рабочих частот (ДРЧ) в режиме, когда все остальные передатчики отключены, то в активном режиме «отраженная» от данного излучателя волна будет образована суммарным наведенным сигналом от остальных передатчиков. При этом величину наведенного сигнала можно охарактеризовать либо коэффициентом отражения: ГА„ итРУи , (О / пао.п либо величиной КСВ в рассматриваемой цепи: 1 + А.п 1- А.п Как правило, все мощные широкополосные УМ работают в режиме генератора тока, т.е. имеют высокое внутреннее сопротивление І?, и, следовательно, оказываются не согласованными с фидером. Поэтому, «отраженная» от антенны волна, дойдя до передатчика, «переотражается» от него, с коэффициентом отражения близким к 1, и движется в сторону антенны уже как падающая волна, складываясь при этом с основной падающей волной и искажая ее.
Восстановление падающей волны, осуществляемое с помощью системы АРАФ, требует дополнительных затрат мощности. Оценим их. В связи с тем, что излучатель с передатчиком связаны фидером, электрическая длина которого будет изменяться в ДРЧ и, кроме того, имеется фильтр гармоник с некоторой электрической длиной, то в ДРЧ нагрузка, на которую работает передатчик, может изменяться от min = /ксв до тах = ШФ ксв (для ПР0СТ0ТЫ считаем Х 0). Поэтому для стабилизации излучаемой мощности передатчик должен иметь «запас» по току: /max = існ Vксв и по напряжению: t/max = исн 4ксв , что и приводит в результате к необходимому «запасу» по мощности: ртах = РСИКСВ. Здесь ICH,UCH,PCH - ток, напряжение и мощность при работе передатчика на СН.
Таким образом, для реализации режима постоянной излучаемой мощности при наводках, обусловленных соседними передатчиками АФАР, необходимо чтобы каждый из них имел мощность в КСВ раз большую по сравнению с тем случаем, когда остальные передатчики (кроме рассматриваемого) отключены или когда взаимодействие излучателей настолько мало, что им можно пренебречь. Такова плата за наводки от соседних передатчиков в АФАР.
Величина наведенного сигнала в рассматриваемом излучателе (в режиме отключенного своего передатчика) будет зависеть от нагрузки в этом излучателе. Эта нагрузка в свою очередь зависит от «электрической длины» цепи, соединяющей передатчик с излучателем. Поэтому, полагая выходное сопротивление передатчика достаточно большим, сопротивление нагрузки на излучатель в ДРЧ может изменяться от очень малого ( КЗ) до очень большого ( ХХ), что в свою очередь будет сказываться на взаимодействии передатчиков АФАР.
Однако, благодаря наличию в передатчиках KB диапазона системы АРАФ, «переотраженная» от передатчика волна будет скомпенсирована и не дойдет до излучателя. Поэтому со стороны излучателя передатчик будет всегда выглядеть согласованным с фидером. Рассмотрим в качестве примера АФАР, состоящую всего из 2-х излучателей, которые образуют антенну осевого излучения [8] или так называемый кардиоидный элемент (КЭ). Излучателями в КЭ являются два биконических сверхширокополосных вибратора. Они разнесены на Л . / расстояние d = mu% и сфазированы на «вычитание», т.е. со сдвигом
На рисунке 1.26 приведены результаты расчета на математической модели ДН для КЭ в случае, когда системы АРАФ нет и нагрузка излучателя принимает крайние значения: RH = 0 Ом и RH = 1000 Ом. При RH = 0 Ом наводимые сигналы от соседних передатчиков настолько велики, что имеем ДН мало похожую на кардиоиду (рис. 1.26а). При RH = 1000 Ом наводимые сигналы в излучателях настолько ослаблены, что ДН принимает почти кардиоидный вид (рис. 1.266). При наличии системы АРАФ нагрузка на излучатель становится постоянной и RH = \ф, а ДН получается близкой к кардиоиде (рис. 1.26в). Для дальнейшего улучшения ДН, т.е. приближение ее к кардиоиде, необходимо скорректировать значения U„ в каждом из передатчиков согласно [18].
В связи с тем, что реализовать постоянное в ДРЧ высокое сопротивление нагрузки на излучатель практически невозможно, то в качестве рабочего будем считать вариант с системой АРАФ. Как показали результаты математического моделирования КСВ в 1-ом и во 2-ом излучателях равны соответственно КСВ] = 2,0; КСВ2 = 2,4.
Исследование синфазных волн в сверхширокополосной антенне с наклонным распределительным фидером
В последнее время получили распространение загоризонтные радиолокационные станции (ЗГРЛС) поверхностной волны. Эти станции предназначены в первую очередь для наблюдения за надводными объектами и поэтому располагаются в непосредственной близости от незамерзающей морской поверхности.
В качестве антенн, применяемых для работы с поверхностными волнами, используют антенны вертикальной поляризации [30].
В связи с тем, что потери при распространении поверхностной волны резко возрастают с ростом частоты, в ЗГРЛС поверхностной волны обычно используют низкочастотную область KB диапазона, а именно частоты от 3 до 15 МГц.
В передающих антеннах этих станций для получения хорошего согласования с передатчиком обычно применяются резонансные излучатели, размеры которых в рассматриваемом диапазоне частот оказываются достаточно большими.
Поэтому, стремление использовать несимметричные вибраторы (монополи), высота которых равна Я/4, вместо XI2 в случае симметричного вибратора (диполя), является вполне оправданным.
В ряде отечественных [17] и зарубежных [28] публикаций для возбуждения поверхностной волны используются несимметричные излучатели в виде несимметричных вибраторов или несимметричных логопе-риодических вибраторных антенн (ЛПВА). Непременным атрибутом несимметричного излучателя является наличие в нем противовеса.
В несимметричных антеннах KB диапазона противовес, как правило, располагается на поверхности земли. При этом, для уменьшения потерь при распространении поверхностной волны, противовес стремятся продлить непосредственно до уреза воды.
Однако следует отметить, что при этом не всегда правильно учи 95 тываются угломестные характеристики направленности несимметричного излучателя и, что особенно важно, уровень излучения поля вдоль поверхности противовеса.
Известны результаты исследований [29, 11] о влиянии размеров осесимметричного противовеса в виде сплошного диска на радиотехнические характеристики несимметричного вибратора, полученные в процессе решения соответствующей электродинамической задачи с помощью метода моментов.
Результаты этих исследований показали, что при конечном радиусе диска (противовеса) Кл 2-А максимум угломестной ДН (УМ ДН) для несимметричного вибратора в свободном пространстве оказывается приподнятым над плоскостью диска приблизительно на 30-40, а в направлении плоскости диска уровень излучения будет примерно на 6 дБ меньше, чем в максимуме ДН.
В связи с тем, что в качестве антенн, предназначенных для возбуждения поверхностной волны, используются, как правило, однонаправленные антенны, то противовес в них будет всегда асимметричен относительно фазового центра антенны или ее активной области (в случае ЛПВА). На рисунке 2.19 в качестве примера показана несимметричная ЛПВА с противовесом в виде наземного рефлектора, который переходит в асимметричный формирующий рефлектор, простирающийся до уреза воды [17].
Строгое решение задачи о возбуждении поверхностной волны с помощью несимметричного излучателя с асимметричным противовесом в виде наземных: подстилающего и формирующего рефлекторов, достаточно сложно. Поэтому в интересующих нас практических приложениях воспользуемся приближенной методикой.
Суть этой методики заключается в том, что при размещении проволочного рефлектора на реальной земле, токи в проводах рефлектора (в KB диапазоне) будут на несколько порядков больше, чем токи проводимости и токи смещения в реальной земле.
Поэтому, в первом приближении, достаточным для практических приложений, можно при расчете угломестных ДН несимметричного излучателя, токи в земле просто не учитывать в силу их малости.
В результате УМ ДН такого излучателя будем рассчитывать для свободного пространства, поскольку нас в первую очередь интересует УМДН в верхнем полупространстве и особенно уровень излучения в направлении горизонта. Излучение в направлении земли (в нижнее по 97 лупространство) и потери в земле на данном этапе рассматривать не будем. Используемая иногда методика расчета УМ ДН подобных излучателей в предположении размещения их на идеально проводящей земле является принципиально неверной, поскольку при этом не учитывается влияние на УМ ДН токов, текущих в противовесе (наземном рефлекторе).
После нахождения УМ ДН в свободном пространстве может быть проведен и расчет самой поверхностной волны с использованием известных [12] формул М.В. Шулейкина и В.А. Фока. При этом необходимо учитывать КУ антенны в направлении поверхности рефлектора, поскольку при выводе этих формул в качестве излучателя использовался вертикальный диполь, имеющий в направлении плоскости, перпендикулярной его оси, максимум ДН.
Применение метода моментов для решения задачи о несимметричном излучателе в случае асимметричного рефлектора крайне затруднительно и поэтому воспользуемся методикой расчетов с использованием математических моделей.
Эта методика базируется на решении интегрального уравнения Поклингтона в тонкопроволочном приближении [19].
Численное моделирование. Для оценки влияния асимметричного наземного рефлектора (противовеса) на УМ ДН несимметричного излучателя, построим компьютерная модель в виде проволочной структуры, показанной на рисунке 2.21. Асимметричный противовес выполнен из 13 радиальных проводов, образующих сектор 120.
Предварительно была рассмотрена осесимметричная модель противовеса (см. рисунок 2.20), являющаяся проволочным аналогом сплошного диска. С помощью этой модели проводилось тестирование решаемой задачи по известным результатам работы [29].
Оптимизация параметров вертикального рефлектора
Как известно, для эффективного возбуждения поверхностной волны необходимы антенны вертикальной поляризации. В качестве сверхширокополосной и сверширокоугольной передающей антенны поверхностной волны в работах [37, 38] были рассмотрены: крестообразный излучатель вертикальной поляризации, состоящий из двух ортогональных логопе-риодических вибраторных антенны (ЛГТВА) и ЛПВА вертикальной поляризации с Т-образными вибраторами.
Эти антенны обеспечивают облучение всего заданного сверхширокоугольного сектора азимутальных углов в пределах 120 при достаточно хорошем согласовании (КСВ 1,7) практически во всем коротковолновом (KB) диапазоне рабочих частот (ДРЧ).
Однако, в ряде прикладных задач возникает необходимость построения антенных решеток (АР) из нескольких излучателей с целью уменьшения ширины азимутальной (A3) ДН и соответствующего повышения коэффициента усиления (КУ) антенны, а также с целью осуществления пространственного суммирования мощности нескольких маломощных передатчиков. В связи с этим ниже будет рассмотрен ряд возможных вариантов построения таких передающих АР.
Большие потери при распространении поверхностных волн выдвигают требование повышения потенциала передающей позиции и, как следствие, применения мощных ламповых передатчиков, которые в свою очередь требуют больших эксплуатационных расходов. Поэтому, по примеру приемо-передающих активных фазированных антенных решеток (АФАР), реализуемых в более высокочастотных диапазонах и использующих большое количество маломощных транзисторных передатчиков, целесообразно рассмотреть возможность применения аналогичных систем и в KB диапазоне.
Однако, в связи с тем, что для обеспечения хорошего согласования излучателей с передатчиком необходимо использовать резонансные излучатели, имеющие в KB диапазоне достаточно большие габариты, в то время как в приемной антенне возможно применение малогабаритных рассогласованных излучателей [14], нецелесообразно в KB диапазоне объединять передающие и приемные АФАР в единую конструкцию. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь передающие АФАР.
В качестве возможных вариантов построения передающих АФАР рассмотрим следующие: линейную АР, дуговую АР и интерференционную АР. В соответствии с работой [25] в качестве излучателей в таких АР поверхностной волны целесообразно использоваться лишь симметричный излучатель вертикальной поляризации.
Решение поставленной задачи удобно продемонстрировать на некотором конкретном примере, для которого могут быть заданы следующие требования: - сектор обзора пространства в азимутальной плоскости 120, - диапазон рабочих частот от 5 до 15 МГц, - количество суммируемых передатчиков - 8 шт., - во всем ДРЧ должно быть обеспечено согласование с передатчиком при коэффициенте стоячей волны (КСВ) не превышающем 1,7.
Линейная АР. В соответствии с исходными данными для решения поставленной задачи сам собой напрашивается простейший вариант построения АФАР в виде линейной АР из 8 излучателей. При этом, в качестве излучателей в такой АР целесообразно использовать вертикальные симметричные вибраторы, которые для получения однонаправленного излучения устанавливаются перед вертикальным рефлектором, высота которого должна быть [39] не меньше, чем \м;іКС/2.
Применение в линейной АР кардиоидного излучателя [39], как это имело место в случае приемной антенны, для передающей антенны не проходит в связи с невозможностью обеспечения требуемого уровня согласования. Действительно, очень близкое расположение двух резонансных вибраторов, как того требует кардиоидный элемент, (т.е. на расстоя 160 ний d мин/4) приводит к очень сильному их взаимодействию (активная составляющая взаимного импеданса при d = Аин/4 составляет 60 % от собственного, а при дальнейшем уменьшении d за счет изменения частоты - возрастает еще больше).
Исходя из необходимости обеспечения во всем ДРЧ хорошего согласования излучателей АР с передатчиками, можно попытаться в качестве излучателей использовать сверхширокополосные биконические вибраторы, обеспечивающие в свободном пространстве в пределах всего ДРЧ согласование с КСВ 1,5.
Однако, в реальных условиях - после установки этих вибраторов перед рефлектором или на поверхности земли, вся их сверхширокополос-ность пропадает.
В соответствии с методом зеркального изображения [8] при наличии рефлектора или земли возникает, так называемый "зеркальный излучатель", взаимодействие с которым и приводит к нарушению сверхширо-кополосности.
