Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные характеристики антенн высокоточного позиционирования по сигналам ГНСС и требования к ним .
1.1 Сигналы глобальных навигационных спутниковых систем и основные принципы высокоточного позиционирования 22
1.2 Уравнения дифференциального позиционирования по фазе несущей и уравнения ошибок 26
1.3 Влияние фазовой характеристики направленности антенны и диаграммы обратного излучения (ДОИ) на точность позиционирования 31
1.4 Основные требования к амплитудной ДН и КПД 36
Глава 2. Пластинчатые антенны с подложками из искусственных диэлектриков с расширенной полосой частот
2.1 Антенны с подложкой ребристого и встречно-штыревого типа 40
2.1.1 Добротность пластинчатой антенны при наличии дисперсии в подложке 40
2.1.2 Низкопрофильные импедансные структуры с высоким замедлением 42
2.1.3 Замечание об антеннах круговой поляризации 44
2.1.4 Замедление и дисперсия в периодических цепочечных структурах с параллельными емкостями 44
2.1.5 Полный электродинамический анализ низкопрофильной штыревой замедляющей структуры .46
2.1.6 Конструктивное воплощение всеволнового всесистемного антенного элемента с литьевой подложкой 50
2.2 Антенны с подложкой в виде емкостной рамки 51
2.2.1 Добротность пластинчатой антенны с концевой емкостью 51
2.2.2 Антенны круговой поляризации с рамкой в виде периодической системы емкостей 54
Глава 3. Широкополосные пластинчатые конструкции объемного типа
3.1 Двумерная модель 59
3.2 Полусферические аксиально-симметричные структуры 63
Глава 4. Плоские проводящие экраны
4.1 Ненаправленный источник на проводящем экране 72
4.1.1 Аппроксимация краевой волны тока экрана 72
4.1.2 Переотражения краевых волн тока конечного экрана и сравнение с численным решением интегрального уравнения 75
4.1.3 Характеристики поля излучения 78
4.1.4 Асимптотическая оценка ДОИ для высоких и низких углов при больших размерах экрана 83
4.2 Слабонаправленный источник на проводящем экране .89
4.3 Источник со столообразной ДН 92
4.3.1 Общие замечания 92
4.3.2 Синтез источника со столообразной ДН и оценка протяженности ближнего поля 92
4.3.3 ДН и ДОИ 95
Глава 5. Импедансные экраны и полупрозрачные экраны из. композитных материалов
5.1 Импедансные экраны 101
5.1.1 Эквивалентный поверхностный электрический и магнитный ток экрана 101
5.1.2 ДН и ДОИ 103
5.2 Полупрозрачные экраны из композитных материалов 109
5.2.1 Приближенные граничные условия 109
5.2.2 Эквивалентный электрический ток экрана в приближении физической оптики 110
5.2.3 Численное исследование эквивалентного тока с помощью интегрального уравнения второго рода 116
5.2.4 ДН и ДОИ конечного экрана в приближении физической оптики 119
5.2.5. Влияние краевых волн и характеристики экранов с неравномерным профилем импеданса слоя 126
Глава 6. Конструктивные особенности разработанных опытных и серийно выпускаемых образцов антенн
6.1 Пластинчатая антенна ГИС со щелевым возбуждением, технологически совмещенная с МШУ 132
6.2 Многочастотные двухсистемные GPS/ГЛОНАСС антенны приемников сантиметрового класса точности 134
6.3 Антенны с подложками из искусственных диэлектриков 136
6.4 Малогабаритная вертикальная антенная система с резким перепадом амплитудной ДН при пересечении горизонта 138
Заключение 141
Литература 146
- Уравнения дифференциального позиционирования по фазе несущей и уравнения ошибок
- Замедление и дисперсия в периодических цепочечных структурах с параллельными емкостями
- Полусферические аксиально-симметричные структуры
- Асимптотическая оценка ДОИ для высоких и низких углов при больших размерах экрана
Введение к работе
Актуальность работы.
Последняя? декада-: 20-го/ века отмечена началом широкомасштабного
использования; сигналов системы навигационных спутников < GPS; (GUM), [1]
для нужд промышленности* и потребительского- сектора экономики.
Созданная; в: СССР система спутников ?FЛОНАСС [2],.преодолев финансовые
затруднениям начала 90-х годов, активно восстанавливается. Планируется'
полное развертывание этой .системы к 2010г. В' 2005г. началось
развертывание системы, спутников GAEIEE0= [3:]. создаваемых Европейским;
Сообществом.. Планируется*к:выведению^система навигационных спутников;
КНР COMPASS [4], развивается японское спутниковое дополнение QZSS [5].
В" дальнейшем* дляі всех: этих систем- спутников; употребляется- общее:
наименование1 FHCC (Глобальные Навигационные Спутниковые Системы).- К
числу FHGG также часто ютносят спутники так называемых функциональных
дополнений. Эти спутники транслируют поправку, необходимую для-
повышения точности позиционирования. Пример спутников
функционального5, дополнения;- система; GMNISTAR [148]. Можно сказать,
что применение: сигналов- FHCG становится- неотъемлемым: элементом?
жизнедеятельности:наряду.с;теле- и радиовещанием и-радиосвязью- Следует
особо» подчеркнуть,, что: сигналы FHCG являются; общедоступными
практически на всей: поверхности Земли и, в основном,, бесплатными. Это
стимулирует, бурный .рост числа практических приложений.
Спутники ГНСС излучают псевдо-шумовые: фазоманипулированные сигналы на ряде частот в диапазоне 1.. .2 ГГц [9,37,38]..
Аппаратуру потребителя сигналов FHCC принято характеризовать обобщенным наименованием "навигационный приемник". Основной задачей навигационного, приемника является определение координаты^ точки земной поверхности; в которой- он: расположен, а также точного времени. По
принципу действия навигационные приемники относятся к пассивным кодово-фазовым дальномерам [8,38]. За отмеченный период навигационные приемники потребителя сигналов ГНСС прошли определенный путь развития.
Простейшие одночастотные кодовые навигационные приемники, работающие в автономном режиме (так называемый режим standalone - от английского "отдельно стоящий"), в настоящее время обеспечивают определение координат потребителя с точностью порядка 30 метров (всюду в дальнейшем точностные характеристики указываются в смысле среднеквадратичной, ошибки (ско)). Эти приемники фактически становятся предметами бытового назначения. Габариты и стоимость бытовых приемников сопоставимы с габаритами и стоимостью бытовых аппаратов сотовой телефонии [6-7]. Этот класс аппаратуры в данной диссертационной работе не рассматривается.
Важным- этапом на пути уменьшения ошибки позиционирования явилось применение так называемого кодово-дифференциального режима DGPS [8-9]. В этом режиме на приемник потребителя передается поправка, компенсирующая групповую задержку на распространение сигнала через ионосферу. Поправка вырабатывается так называемой базовой станцией, расположенной в точке с известной координатой, либо системой (сетью) таких станций. Поправка передается на навигационный приемник либо по местному каналу радиосвязи (включая сотовую связь), либо транслируется через геостационарные спутники типа OMNISTAR. Наличие поправки позволяет снизить ошибку позиционирования до 30см. Режим DGPS является основным для широкого спектра применений в области Гео-Информационных Систем (ГИС). ГИС предназначены для описания элементов земной поверхности с точностью не хуже 1м, включая рельеф, населенные пункты, путепроводы, ареалы распространения животного и растительного мира, сельхозугодия, статистические данные о территориях, и т.п. В качестве примера на рис В 1а) показано оснащение современного ГИС
- специалиста. Аппаратура состоит из антенны ГНСС, приемника (в.рюкзаке) и цифрового картографического индикатора.
Основным этапом существенного - скачкообразного - уменьшения ошибки позиционирования явилась разработка алгоритма RTK (от английского Real Time Kinematic - позиционирование движения в реальном времени). Этот алгоритм позволяет осуществить так называемое разрешение неоднозначности [8,9] - когда определяются не только задержки по коду, но и разность полных набегов фазы несущей, включая целое число длин волн, между потребителем и базовой станцией и каждым из спутников. Совместное использование в RTK обеих систем спутников GPS/ГЛОНАСС обсуждалось с конца 90-х годов- [10,11]. Для работы алгоритма RTK, как и в DGPS-режиме, требуется поправка, вырабатываемая базовой станцией или сетью станций. Алгоритм позволяет снизить ошибку позиционирования до 1см. Вариант работьь в режиме накопления данных позволяет достичь геодезической точности позиционирования по сигналам ГНСС в 1мм [9].
Разработка аппаратуры, способной поддерживать алгоритм RTK, резко
расширила спектр применений сигналов ГНСС. Так, в режиме реального
времени оказалось возможным осуществить весь спектр гео
топографических работ - при землеустройстве, строительстве,
профилировании дорог и магистралей, т.п. На рис. В16) показано оснащение
современного ГНСС - геодезиста. Аппаратура содержит интегрированный
приемник, совмещенный с ГНСС антенной и антенной радиолинии передачи
поправок, и картографический индикатор. Дальнейшее развитие аппаратуры
RTK в последние годы привело к созданию серийных образцов
полуавтоматических и автоматических строительных и
сельскохозяйственных машин (рис В2а),б)).
На рис В3а),б) показаны применения аппаратуры ГНСС в режиме постобработки (точность 1мм ). Измерения с погрешностью 1мм применяются для мониторинга технического состояния сложных инженерных сооружений типа дамб, мостов, больших зданий и т.п. и для устройства геодезических
опорных пунктов - в том числе с научными целями изучения'дрейфа земной коры (предсказание землетрясений, смещение тектонических плит и т.п.)
Навигационные приемники, обеспечивающие точность в 30см и выше
можно условно отнести к высокоточным. В настоящее время наблюдается
лавинообразный рост числа публикаций о работах в области высокоточного
позиционирования и о создаваемых образцах техники: Среди источников
информации, призванных сориентировать потребителя, можно отметить
международный отраслевой журнал рекламно-технического характера "GPS
World" [12], сообщения научно-технического характера1 о прикладных
системных работах публикует реферируемый журнал "GPS- Solutions" [13],
основным ежегодным международным научно-техническим симпозиумом
является конгресс Института Навигации ION GNSS [14]. К числу основных
мировых производителей высокоточной аппаратуры, для гражданских
применений относятся- компании Trimble (С1ДА)[130], Leika
(Швейцария)[131], Торсоп (Япония)[129], Javad JNSS (США/РФ)[151].
Существенные элементы аппаратуры компаний Торсоп и Javad JNSS
проектируется в центрах технологий в Российской Федерации в Москве.
Для обеспечения потребителя поправкой, необходимой для высокоточного позиционирования, развиваются сети базовых станций, покрывающих территории. Так, общегерманская сеть содержит более 150 станций [17]. Сеть, принадлежащая международному консорциуму университетов UNAVCO [18] содержит несколько тысяч станций, объявлено о создании национальной сети КНР, которая будет содержать 8000 станций. Необходимость развития работ по созданию координатно-временного поля Российской Федерации подчеркнута в Указе Президента Российской Федерации [15].
Высокоточные приемники осуществляют слежение за кодами и фазами несущих всех спутников, расположенных выше местного горизонта. Для обеспечения точности позиционирования ключевое значение [9] имеют спутники, наблюдаемые под низкими углами к горизонту. Однако сигнал
этих спутников оказывается в значительной степени' ослабленным в< силу направленных свойств антенн наблюдателя и спутника и увеличенной дальности против зенитных спутников. При недостаточном уровне сигнала наблюдается [16] явление срыва фазового детектора, когда отсчет фазы несущей скачком изменяется» на произвольное целое число 2л:. Срыв детектора приводит к необходимости- повторного разрешения-неоднозначности алгоритмом RTK, что резко уменьшает эффективность системы позиционирования.
Важная особенность современного состояния отрасли высокоточного-позиционирования состоит в том, что основным источником ошибок высокоточного позиционирования^ является [9, 100] явление многолучевости, когда на вход приемника, наряду с прямым сигналом, спутника, попадает также сигнал, отраженный подстилающим рельефом и местными предметами. Также существенным оказывается* вклад ошибок и. нестабильности фазовой и групповой характеристики направленности антенны. Ключевая роль антенных характеристик для достижения предельно малых ошибок позиционирования многократно подчеркивалась в литературе
[100-104].
Наряду с этим, антенны, как и остальная часть аппаратуры, находятся под серьезным давлением1 обстоятельств рыночного характера. Разнообразие условий их применения- диктует жесткие требования на подходы и способы конструктивной реализации. Между тем, массо-габаритные характеристики и можно отметить - стоимость антенны высокоточного позиционирования сопоставимы со всей остальной частью аппаратуры, а зачастую и превосходят собственно навигационный приемник. Быстрый прогресс микроэлектроники, с одной стороны, и естественное ограничение в виде фиксированной, длины волны сигналов ГНСС делают указанное противоречие особенно заметным.
В целом, обеспечение надежности работы и минимизации ошибок системы позиционирования, приводит к необходимости реализации
максимально широкой ДН приемной антенны с возможно резким уменьшением усиления в направлениях ниже горизонта. Это требование, совместно с обеспечением заданной полосы пропускания при жестких ограничениях на массо-габаритные показатели, является противоречивым.
Приемные антенны высокоточного позиционирования начали развиваться одновременно с началом широкого освоения сигналов ГНСС. Основной антенной базовых станций является антенный элемент Dorne@Margolin, устанавливаемый на импедансный кольцевидный экран, сконструированный в лаборатории JPL (Jet Propulsion Laboratory) NASA США. Сведения об этой антенне содержатся в источниках [19,20], посвященных геодезическим калибровкам высокоточных антенн. Фотография этой антенны показана на рис В 4.
В качестве антенн подвижных объектов на начальных этапах, в основном, использовались компактные и высокотехнологичные антенны печатного (микрополоскового) типа. Эти антенны выгодно, отличаются конструктивной простотой и малыми габаритами, что и обусловило интерес к ним с точки зрения приложений для высокоточного позиционирования.
Микрополосковые антенны находились в фокусе внимания специалистов начиная с 70-х годов прошлого столетия. Обзор имеющихся результатов содержится в ряде основополагающих отечественных и зарубежных публикаций и монографий [43-46]. Работы в этом направлении продолжают выходить [47-54, 78, 105], в том числе и применительно к задачам позиционирования [55,61].
Одной из первых реализаций антенн для подвижных объектов являлась антенна Ashtech Geodetic [19, 21] компании Ashtech. Эта антенна была предназначена для приема сигналов только GPS, она имела антенный элемент печатного типа, плоский экран диаметром 40см и компас. Необходимость применения компаса была вызвана тем, что фазовый центр этой антенны оказался смещенным с вертикальной оси симметрии, в силу чего требовалась принудительная ориентация антенны для повышения
точности позиционирования. В конце 90-х годов прошлого века коллективом разработчиков компании JPS под руководством профессора кафедры 406 МАИ Филиппова B.C. была разработана двухчастотная двухсистемная GPS/ГЛОНАСС печатная антенная плата, служившая основой серийно выпускаемых антенн подвижных объектов типа Legant [58] и антенн базовых станций типа Regant [59] и CR3 [60]. Фотография этой антенной платы показана на рис. В5а),б). Автор данной диссертационной работы участвовал в указанных разработках в качестве ведущего специалиста. Интересно отметить, что сообщение в зарубежных источниках [61] об антенной плате типа Legant появилось в печати спустя декаду после выхода антенны Legant в производство. Можно отметить реализацию двухчастотных L1/L2 печатных антенн на принципах двухэтажной сборки компаний Trimble [56] и Aeroantenna [57].
Однако, как многократно отмечалось [45,46], при расширении рабочей полосы частот толщину диэлектрической подложки печатной антенны необходимо увеличивать. Проводимая модернизация систем GPS и ГЛОНАСС, а также объявленное развертывание систем GALILEO и COMPASS приводит к резкому расширению полосы частот. Общая протяженность спектра ГНСС сигналов превысит 30%. Технологические возможности по изготовлению и применению печатных антенн оказываются практически исчерпанными вследствие значительной толщины диэлектрической подложки и ее веса.
Ранее, в том числе автором данной работы, исследовалась возможность использования диэлектрических подложек в виде системы опор [62-64,133], имеются также сообщения о формировании слоистых подложек с воздушными пустотами [65]. Однако, вследствие эффекта [46,62] обужения амплитудной ДН микрополосковой антенны при уменьшении эффективной диэлектрической проницаемости подложки, подложки с низкой эффективной проницаемостью для целей позиционирования оказываются малопригодными; проблема использования объемных подложек из
диэлектрических материалов- для* широкоугольных пластинчатых антенн дециметрового диапазона волн, в целом, сохраняется. В последние годы появились сообщения о применении так называемых частотно-селективных поверхностей для формирования подложек пластинчатых антенн [66,67]. Здесь необходимая величина эффективной диэлектрической проницаемости достигается за счет периодической системы металлических элементов, выполняемых на тонких подложках печатным способом. Эти подложки затем размещаются вертикально между пластинкой антенны и экраном.
Однако следует отметить, что низкопрофильные полностью металлические структуры, способные формировать значительное эквивалентное замедление фазовой скорости, известные 60-х годов" [68]. Эти структуры ранее изучались применительно'к электронным приборам СВЧ. Подложки пластинчатых антенн на основе указанных структур могут быть-охарактеризованы как "искусственные диэлектрики". Возможности» применения' искусственных диэлектриков, выполненных из металлов, в. качестве технологически эффективных подложек пластинчатых антенн и основы теории антенн с такими подложками ранее' систематически не рассматривались.
Дополнительный интерес представляют многопластинчатые конструкции, позволяющие обеспечить широкую полосу рабочих частот при весьма малом общем габарите. Практическая целесообразность таких антенн обусловлена стремлением в ряде высокоточных приложений применить антенный элемент, имеющий один общий выход на всю полосу частот сигналов ГНСС. Как указано выше, эта полоса составляет более 30%. Известен целый ряд конструкций пластинчатых антенн объемного типа [47,69-74]. Однако физические явления, лежащие в основе эффекта широкополосности многопластинчатых антенн, и потенциальные возможности' достижения широкополосности при существенных ограничениях на габарит остаются невыясненными.
Основным элементом, определяющим способности антенны к подавлению отражений от подстилающего рельефа, является экран. Известно [75], что конфигурация экрана, на который устанавливается антенный элемент, является решающим фактором, определяющим характеристики антенны в нижней, относительно экрана, полусфере. Кроме того, экран оказывает существенное влияние на коэффициент усиления в верхней полусфере, в особенности вблизи скользящих направлений. Применительно к задачам высокоточного позиционирования изучение экранов представляет интерес как для оптимизации характеристик антенн малого габарита в резонансной частотной области, так и для оценки потенциальных возможностей по реализации значительного перепада усиления при пересечении горизонта в больших, по сравнению с длиной волны, системах. Анализ характеристик антенн на проводящих экранах является классическим для антенной теории. Можно указать на точные методы собственных функций [75, 76], интегральных уравнений [77], а также на асимптотические методы геометрической теории дифракции [79, 80] и краевых волн [81, 82]. Перечисленные источники [75-82] содержат обширную библиографию вопроса. Можно отметить еще методы эквивалентных краевых токов, развитые в конце прошедшего столетия [83-85], численные подходы на основе FDTD алгоритма [86], а также публикации о характеристиках микрополосковых антенн на плоских экранах конечных размеров [49,87-90].
Однако, применительно к задачам высокоточного позиционирования, основное значение имеет [9,100-104] диаграмма обратного излучения (ДОИ), известная также из англоязычной литературы как front-to-back ratio (down-up ratio), а также свойства ДН в верхней полусфере вплоть до углов, близких к касательным. Этим характеристикам уделяется значительно меньшее внимание. Кроме того, направления, близкие к касательным к экрану, наиболее сложно поддаются анализу асимптотическими методами [79,82]. Между тем, приближенные соотношения, позволяющие выполнить оценку характеристик до проведения трудоемкого численного анализа или
натурного макетирования, оказываются весьма существенными в инженерной практике.
Помимо плоских проводящих, представляют интерес импедансные экраны, а также экраны в виде тонких полупрозрачных слоев из композитных материалов.
Применительно к импедансным экранам, основные принципы построения экрана антенны базовой станции в виде кольцевых дроссельных канавок изложены в [91]. Однако в последнее десятилетие появились сообщения о создании низкопрофильных печатных периодических структур, формирующих высокий эквивалентный поверхностный импеданс. Эти структуры получили название грибовидных или грибковых (от англ. mushrooms) [92-94,108]. Сообщения о некоторых характеристиках антенн с такими структурами содержатся в [95-99, 106, 107]. Эти структуры, представляют очевидный интерес применительно к задачам высокоточного позиционирования, так как они компактны, обладают малой глубиной (толщиной) и позволяют, в принципе, формировать импедансные поверхности весьма больших электрических размеров.
Плоские композитные листы из материалов толщиной много меньше длины волны ранее рассматривались на примере сетчатых структур [126]. В последние годы утвердилось более общее наименование "композитные материалы" в связи с применением комбинаций металлических, слабо и сильно проводящих, и диэлектрических элементов. Электродинамические характеристики таких материалов обсуждаются в [108, 112-126, 138,141,149,150,152]. Применительно к задачам позиционирования так называемые R-карты описаны в [109-111]. Эти R-карты представляют собой тонкие проводящие листы толщиной менее глубины проникновения. Общим для всех этих систем является возможность применения усредненных граничных условий [108, 124-126] для анализа характеристик.
Термин "полупрозрачный" в названии экранов из композитных материалов обусловлен тем, что в приближении бесконечной структуры
всегда имеется некоторый отличный от нуля коэффициент передачи. Это открывает дополнительные возможности для оптимизации характеристик направленности антенн позиционирования путем управления интерференцией прошедшего и дифракционного полей в теневой области.
Потенциальные возможности перечисленных видов экранов по формированию высоких характеристик ДОИ представляют очевидный интерес с точки зрения построения антенн позиционирования.
Цель и задачи работы.
Сказанное выше позволяет сформулировать основную цель исследования в виде разработки теории, методов анализа, оценки характеристик и создания образцов широкополосных малогабаритных высокотехнологичных антенных элементов и экранов различных конфигураций для минимизации ошибки позиционирования по сигналам ГНСС.
В соответствие с указанной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи.
1.Разработка теории, методов анализа и конструктивных образцов низкопрофильных широкополосных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков, заменяющих традиционные печатные конструкции.
2.Разработка принципов построения и создание конструктивных образцов широкополосных объемных антенн круговой поляризации общим габаритом в десятые доли длины волны.
3.Построение инженерных оценок и анализ характеристик и потенциальных возможностей плоских проводящих и импедансных экранов, а также экранов из композитных материалов, в том числе для экранов в резонансном частотном диапазоне.
4.Создание образцов антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных навигационных приемников.
Методы исследования.
При проведении исследований используются аналитические методы теории дифракции, антенн и устройств СВЧ и численные методы на основе интегральных уравнений. Экспериментальные измерения выполнены в безэховых камерах с помощью стандартного лабораторного оборудования.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяется корректными математическими методами и, физическими моделями, хорошим совпадением результатов расчетов с натурным макетированием, а также достигнутыми характеристиками опытных и серийно выпускаемых образцов антенн.
Личный вклад автора.
Все основные результаты и положения работы принадлежат автору, что подтверждено личными публикациями. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит постановка задач и определение направлений исследования, а также непосредственное участие в расчетах, экспериментах и анализе данных. Роль автора как руководителя проектирования серийно выпускаемых антенн высокоточного позиционирования отражена в акте о внедрении и отзыве, выданным Московским центром технологий корпорации Топкон (Япония). Автор признателен руководству корпорации за возможность публикации образцов антенн и их характеристик.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 152 наименований и 5-ти приложений. Работа без приложений изложена на 23 5-ти страницах машинописного текста, включая 142 рисунка и 4 таблицы.
Первая глава посвящена анализу данных общесистемного характера и выработке требований к характеристикам антенн. Здесь анализируется спектр имеющихся и вводимых сигналов ГНСС, выявляется влияние фазовой характеристики направленности и ДОИ на ошибки позиционирования, обосновываются требования к амплитудной ДН и КПД антенн.
Вторя глава посвящена разработке теории, путей построения, методам
анализа и результатам исследования и конструктивного воплощения антенн
пластинчатого типа с подложками из искусственных диэлектриков. Здесь
получены оценки степени отрицательного влияния нормальной дисперсии в
подложке на ширину полосы пропускания пластинчатой антенны круговой
поляризации и выявлены условия ее отсутствия, методом численного
решения интегрального уравнения для периодической структуры получены
параметры конструкции подложек, обладающих требуемыми свойствами и
пригодных для изготовления путем высокоточного литья, выявлен эффект
расширения полосы частот при использовании подложки периодических
элементов в виде рамки, охватывающей периметр пластинки, показана
возможность изготовления такой подложки с помощью штампа, показаны
образцы конструктивной реализации антенн и приведены их характеристики.
Третья глава посвящена широкополосным объемным конструкциям
пластинчатого типа малого габарита. Здесь выявляется влияние емкостных
связей пластинок между собой и экраном антенны, показывается, что при
наличие таких связей существует оптимальная высота размещения пластинок
над экраном, при которой полоса пропускания структуры существенно
расширяется. Этот вывод распространяется на сферические азимутально-
симметричные конструкции лепесткового типа. Приводятся характеристики опытного образца антенны с полосой пропускания свыше 40%.
Четвертая глава работы посвящена анализу наиболее употребительных плоских проводящих экранов приемных антенн потребителя сигналов ГНСС. Здесь получено замкнутое аппроксимационное выражение для токов конечного проводящего экрана и методом численного решения интегрального уравнения оценена его точность. Выполнено исследование ДН и ДОИ для экранов, возбуждаемых ненаправленным и слабонаправленным источником, а также источником, формирующим столообразную ДН с подавленным уровнем ДН в касательном к экрану направлении; получены оценки ДОИ как для области углов, близких к касательным, так и вдали от указанных направлений.
В пятой главе работы рассматриваются перспективные экраны импедансного типа и полупрозрачные экраны из композитных материалов. Здесь изучены распределения, эквивалентных электрических и магнитных токов экранов и исследовано влияние характеристик импедансных и полупрозрачных поверхностей на ДН и ДОИ. Особое внимание уделяется функции распределения эквивалентного поверхностного тока полупрозрачного экрана, правильно описывающей распределение тока не только на больших расстояниях от источника, но и в непосредственной близости от него. Аналитические данные подтверждаются численным исследованием с помощью интегрального уравнения второго рода. Получены оценки ДОИ для экранов с равномерным и неравномерным профилем импеданса слоя.
Шестая глава работы посвящена конструктивным особенностям разработанных серийно выпускаемых и опытных образцов антенн . Основное внимание уделяется электродинамическим принципам, положенным в основу проектирования. Рассматриваются печатные антенны со щелевым возбуждением, выполняемые в едином технологическом цикле с малошумящим усилителем, семейство антенн и антенных блоков
интегрированных приемников, работающих в классе точности 1см, в том числе и с подложками из искусственных диэлектриков, а также вертикальная цилиндрическая антенная решетка малого, по сравнению с длиной волны, диаметра, обеспечивающая быстрый перепад усиления при пересечении горизонта.
В Приложениях сосредоточены аналитические выкладки, вынесенные за пределы основного текста, и сведения о внедрении. Приложение 1 посвящено тензорам Грина систем с дискретным спектром собственных функций, в Приложении 2 содержатся результаты оценок интегралов методом перевала, встречающиеся в работе, в Приложении 3 приведены сведения по выводу коэффициентов отражения и прохождения плоской волны через тонкий слой диэлектрика с потерями. В Приложении 4 приведен отзыв корпорации Топкон и акт об использовании результатов данной работы при проектировании серийно выпускаемых образцов техники. В Приложении 5 приведен акт о внедрении результатов в учебный процесс МАИ.
Уравнения дифференциального позиционирования по фазе несущей и уравнения ошибок
На рис 1.5 схематично показана работа системы высокоточного позиционирования в дифференциальном режиме. Под референс-точками антенн базы и ровера понимаются условные центры, относительно которых известны фазовые характеристики направленности этих антенн. Радиус-вектор г от референс-точки базы к роверу носит наименование базового вектора или базовой линии [8,9,38]. Направление на спутник с номером q указывает единичный вектор nQq . Предполагается, что длина базовой линии много меньше расстояния до спутника. В практических случаях г составляет порядка десятков (до сотни) км, тогда как расстояние до спутника порядка 20000км. Поэтому направления на спутник в системе координат базы и ровера существенно параллельны. В случае необходимости параллакс учитывается дополнительно [9]. Отсчет фазы несущей с базы передается на ровер; процессор ровера определяет так называемую первую разность Yq [8] как разность задержек фаз спутника номер q на распространение сигнала, для базы и ровера Yq 9yq , соответственно. Вследствие параллельности направлений на спутник от базы и ровера Здесь k-волновое число. Вообще говоря, вместо Yq (1.1) приемник ровера определяет оценку Yq , отличающуюся от точного значения на ошибку фаз &Yq и оценку разности шкал времени базы и ровера т . Здесь Nq - разность целочисленных неоднозначностей шкал фаз базы и ровера для сигнала q-ro спутника. Оценке 7q ставится в соответствие оценка базового вектора г, отличающаяся от истинного значения на ошибку Ar . Таким образом, уравнение наблюдений имеет вид В общем случае имеется Q уравнений типа (1.5) по числу наблюдаемых спутников Система (1.6) имеет 4 неизвестных (3 компоненты вектора г и оценка разности шкал времени т). Предполагается, что неоднозначности Nq разрешены предварительно на этапе инициализации алгоритма. Методы разрешения неоднозначности указаны в [11].
В отсутствие срыва фазовые детекторы осуществляют непрерывное слежение за фазами несущих на базе и ровере, поэтому Nq можно считать известными. При Q 4 переопределенная система (1.6) решается методом наименьших квадратов. Вообще говоря, имеется возможность фильтрации спутников с помощью весовых коэффициентов. В частности, спутники, измерения по которым признаны аномальными по ряду критериев [9,11], могут получать наименьшие веса. В дальнейшем предполагается, что веса всех спутников одинаковы. Прямоугольная матрица А системы уравнений имеет вид Определитель матрицы [A A J имеет специальное наименование - DOP (от англ. Delution of Precision — ухудшение точности). Он показывает ухудшение ошибки позиционирования по сравнению с ошибкой определения фаз несущих за счет геометрического фактора расположения видимых спутников на небосводе.
В среднем для оценки можно полагать [9] Из геометрических соображений очевидно, что в отсутствие спутников с низкими углами возвышения к горизонту обусловленность системы (1.6) падает и DOP резко возрастает. Более подробно эти вопросы рассмотрены в [9,128]. Вычитая из каждого из уравнений (1.6) соответствующее уравнение (1.2), получается система уравнений для ошибок позиционирования При достаточно малых г (практически — вплоть до 20...25 км) задержки на распространение через ионосферу и тропосферу для базы и ровера оказываются существенно одинаковыми. Вклад в ошибку измерения фазы &Yq вносит лишь дифракция и отражения от близких предметов многолучевость - и фазовые характеристики направленности обеих участвующих антенн. Эти ошибки удобно оценить в пределе, считая, что за сеанс наблюдений траектории спутников равномерно покрыли весь небосвод. Действительно наблюдаемая ошибка позиционирования в реальном времени окажется хуже определенной таким образом в DOP раз. При сделанном предположении для ошибок позиционирования вместо выражений типа (1.8), (1.9) имеем
Замедление и дисперсия в периодических цепочечных структурах с параллельными емкостями
В первом приближении системы, приведенные в предыдущем параграфе, описываются цепочечной схемой в виде четырехполюсников, изображенной на рис 2.9. Каждый четырехполюсник содержит отрезок линии длиной 1 с волновым сопротивлением W и постоянной распространения у и параллельную емкость С. Заполнение линии предполагается воздушным. Для случая систем емкостей рис 2.8 под С понимается емкость ряда штырей, перпендикулярного к направлению распространения. Взаимной емкостью рядов и индуктивностью штырей пренебрегается, в чем состоит ограниченность этой модели.
Характеристическое уравнение линии рис. 2.9 получается путем объединения матриц передачи элементарных четырехполюсников [132]. Оно имеет вид [108] Набег фазы q на один период структуры? можно интерпретировать в терминах эквивалентного замедления р, так что
Применительно к пластинчатым антеннам, имеющим общий размер порядка нескольких десятых долей длины волны, длина одного периода 1 весьма мала и составляет сотые доли длины волны. Для малых 1, считая замедление 3 не слишком высоким, из (2.20), (2.21) имеем
Таким образом, в первом приближении замедление определяется лишь дополнительно внесенной погонной емкостью С/1 и не зависит от частоты. Более, точные расчеты показывают, что с ростом замедления 3 дисперсия становится более заметной. На рис 2.10, 2.11 показаны зависимости замедления от частоты, рассчитанные непосредственно по формулам (2.20), (2.21). Рис 2.10 соответствует шагу 1=0.05Х, а рис 2.11 - шагу 0.025Х. По оси абсцисс показано отклонение частоты от средней в %. Графики рассчитаны для ряда значений внесенного емкостного сопротивлениям средней частоте, отнесенного к волновому сопротивлению линии. Эти значения показаны в легенде. Из графиков следует, что соотношение (2.23) выполняется вплоть до весьма высоких замедлений. Дисперсия становится, заметной при р порядка 7...8 и более. Дисперсия более заметна для структур с большим шагом 1, причем дисперсия является нормальной, и,, следовательно, неделательной.
Однако можно отметить, что при р порядка 7...8 , когда становится заметной Я дисперсия, резонансный размер излучателя — составляет сотые доли длины волны. Формирование заметного количества емкостных элементов при столь малых общих размерах структуры представляет собой самостоятельную технологическую задачу. Таким образом, в диапазоне значений замедления вплоть до 5...6 дисперсию можно считать несущественной, а сами замедления в цепочечной схеме оценивать как (2.23).
Для оценки технологически реализуемых величин замедления и возможной дисперсии был проведен электродинамический анализ двумерно -периодической штыревой замедляющей структуры с помощью численного решения интегрального уравнения методом моментов. Прежде, чем переходить к расчетной процедуре и результатам, отметим следующее.
Как уже указывалось, для применения в составе аппаратуры позиционирования типичной будет являться высота пластинки над экраном порядка 0.05...0.07 длины волны или 1...1.5 см. Таким образом, длины штырей не превышают толщины подложки и составляют порядка 10... 12мм. Изготовление такой структуры экономически наиболее целесообразно выполнять с помощью разновидностей методов литья.
Как показано выше, периоды ребристой структуры выгодно делать как можно меньшими. При этом при заданном замедлении снижается величина емкости, вносимой на один период структуры, и, следовательно, снижаются требования на точность выполнения штыря и воздушных зазоров. Кроме того, снижается опасность возникновения значительной нормальной дисперсии. Однако для применения литейной технологии диаметры штырей должны составлять как минимум 1.5..2мм или 0.007...0.01 длины волны.
Кроме того, расстояние между штырями желательно порядка полутора-двух диаметров. Таким образом, периоды структуры, подлежащей рассмотрению, оказываются порядка 0.025...0.03 длины волны, а диаметры штырей — в 2-3 раза меньшими периодов.
С учетом этих замечаний рассматривается двумерно-периодическая штыревая структура, расположенная между двумя идеально проводящими плоскостями. Эскиз структуры с обозначениями параметров конструкции показан на рис 2.12. Исходным является интегральное уравнение первого рода для электрического поля, решаемое методом моментов [134].
Полусферические аксиально-симметричные структуры
Рассмотрим излучающий элемент, эскиз конструкции которого показан на рис 3.3. Излучатель представляет собой аксиально-симметричную систему из М сферических сегментов угловой протяженности AG , Аф по углу места и азимуту, соответственно. Центр сегмента с номером m расположен в точке (9S, 2гаті/М) по углу места и азимуту. Радиус сферы — а. Предполагается, что система сегментов расположена над идеально проводящей плоскостью.
Ток одного сегмента представляет собой низшее резонансное колебание по углу места. Предполагается, что сегменты возбуждены низшей азимутальной гармоникой в виде волны, бегущей по азимуту, для обеспечения круговой поляризации. Таким образом, для сегмента с номером m На рис 3.4 приведены азимутальные диаграммы направленности в экваториальной плоскости (0 = 90) для разного количества секторов N. Графики рассчитаны при радиусе вписанной сферы 0.3 длины волны. При увеличении количества секторов амплитуда азимутальных осцилляции уменьшается. Для обеспечения азимутальной однородности с точностью порядка 0.1 дБ при данном радиусе сферы необходимо 8 секторов. На рис.3.5, 3.6 приведены частотные характеристики импеданса сектора для случая, когда рассматриваемая структура содержит восемь секторов. По оси абсцисс показано в процентах отклонение частоты относительно центральной частоты диапазона. Графики рис. 3.5 рассчитаны для различных значений радиуса сферы а. При этом угловой размер сектора Ав не менялся. При радиусе а порядка 0.3 Л кривая Im(Z) приобретает выпуклый характер. В этом случае реактивная составляющая импеданса незначительно отличается от нуля в диапазоне частот порядка 50%, что говорит о существенном расширении полосы частот. Графики рис 3.6 построены для различных значений углового размера Ав при фиксированном радиусе а. При небольших значениях углового размера Ав реактивная составляющая импеданса имеет емкостной характер. Однако при увеличении Ав наблюдается уменьшение значения реактивной составляющей с переходом в индуктивную область. При значениях Ав порядка 80 реактивная составляющая мала в наиболее широкой полосе частот. При дальнейшем увеличении Ав (т.е. при уменьшении зазора между металлической поверхностью сектора и экраном) реактивная составляющая импеданса на центральной частоте становится существенно индуктивной, что затрудняет согласование излучателя с фидером.
Диаграмма направленности в меридиональной плоскости показана- на . рис. 3.7. Эта ДН имеет слабонаправленный столообразный характер во всей передней полусфере.
Таким образом, при размерах порядка Ю = 0.3/1 и А 9 = 80 обеспечивается широкополосный режим работы выпуклой пластинчатой структуры. Количество секторов М=8 позволяет избежать азимутальных осцилляции в диаграмме направленности. Следует отметить, что сферическая форма структуры обеспечивает характер ДН, близкий к столообразной вплоть до низких углов к плоскости экрана.
Фотография экспериментального макета антенны показана на рис 3.8. Радиус полусферы составил 42мм, что соответствует 1/6 длины волны на1 нижней частоте ГНСС диапазона. Для возбуждения структуры применен нерезонансный пластинчатый возбудитель, связанный с пластинками емкостным образом (рис. 3.9). Экспериментальная частотная кривая КСВ показана на рис ЗЛО. По оси абсцисс отложена частота в ГГц. Антенна обеспечивает ширину полосы 41% по КСВ не более 2. Таким образом, 1. В двумерном приближении выявлен эффект оптимальной высоты размещения пластинчатого элемента над экраном при условии емкостной связи элемента со стенками плоскопараллельного волновода. Показано, что при высоте, равной 1/8 длины волны, наблюдается перегиб частотной кривой реактивной части сопротивления, что приводит к значительному расширению полосы частот. 2. Рассмотрена трехмерная полусферическая пластинчатая структура и показано, что при радиусе полусферы порядка 0.3 длины волны наблюдается эффект значительного расширения рабочей полосы частот. Для обеспечения азимутальной равномерности характеристики направленности количество пластинчатых элементов на полусфере должно составлять 8. 3. Реализован опытный образец антенны общим габаритом порядка Х/3 относительно нижней частоты диапазона с полосой пропускания 41%.
Экран антенны спутниковой навигации и позиционирования является основным элементом, определяющим свойства ДН под низкими углами1 к горизонту и способность антенны к, подавлению отражений от подстилающей поверхности рельефа. Как указывалось в Главе 1, оба этих фактора совместно определяют точность и устойчивость работы системы позиционирования.
Данная глава- посвящена наиболее употребительным плоским проводящим экранам. Рассмотрение выполняется-для Е-плоскости одной из двух линейно-поляризованных составляющих поля антенны (края экрана перпендикулярны к вектору Е). Это обусловлено тем, что в Н-плоскости излучение зеркальных относительно экрана токов антенны- противофазжь к первичным токам, поэтому, влияние краев экрана в Н-плоскости менее заметно. В связи, с разнообразием применяемых конструкций антенн представляется целесообразным рассмотреть, характеристики экранов, на основе- универсальной модели. В. качестве такой модели используется возбуждение полосы- нитью магнитного тока. Целесообразность этой модели обусловлена, в том числе, и тем, что пара нитей магнитного тока, разнесенных на расстояние, равное резонансной длине пластинки, является адекватной моделью для анализа поля излучения широко применяемой микрополосковой антенны. Поэтому в данной главе последовательно рассматриваются характеристики экрана, возбуждаемого ненаправленным источником (нитью магнитного тока), источником со слабой направленностью (модель в виде двух нитей тока), а также характеристики перспективных систем, содержащих антенный элемент со столообразной ДН.
Асимптотическая оценка ДОИ для высоких и низких углов при больших размерах экрана
В качестве модели слабонаправленной антенны используются две синфазные равноамплитудные нити магнитного тока с координатами +/-а (рис. 4.4) В свободном пространстве эти нити создают поле Для случая бесконечного экрана (4.70) умножается на 2. Далее используется обозначение для ДН источника на экране бесконечных размеров, нормированной при Ф=тг/2. Очевидно, параметр а определяет величину ДН в направлении на горизонт (экран) при ф=0. Для оценки характеристик используются выражения (4.35)...(4.40). Предполагается, что размер экрана достаточно велик и L»a. Тогда при Ы L V п\х\ Тем самым предполагается, что края экрана находятся в дальней зоне источника. Для вклада тока физической оптики получается Таким образом, подавление отраженного сигнала из нижней полусферы при высоких углах к плоскости экрана прямо пропорционально уровню ДН источника в направлении на экран. Однако возможности улучшения ДОИ за счет управления шириной ДН для приложений к задачам позиционирования ограничены так как значительное обужение ДН приводит к опасности срыва слежения за сигналами низких спутников. Для низких углов, аналогично (4.68) Таким образом, для слабонаправленного источника ДОИ для низких углов не зависит от ДН источника и определяется только размером экрана. Под столообразной понимается ДН, которая имеет весьма низкий уровень в направлении на экран (при ср=0) и затем быстро возрастает, так что в широком секторе углов, начиная с малых р, ее уровень остается неизменным. Работа экрана с антеннами такого вида имеет ряд особенностей. Эти особенности обусловлены тем, что в направлении (р=0 основной вклад будут иметь высшие члены асимптотики поля. Иначе говоря, область, захваченная ближним полем, расширяется, и предположения раздела 4.2 не будут иметь места. Проведенное ниже рассмотрение выполнено в приближении физической оптики. Синтез источника выполняется методом разложения ДН в ряд Фурье следуя [138].
В отличие от [138] удобнее использовать источник в виде магнитного тока на идеально проводящем цилиндре. Рассмотрим ДН антенны F(cp), расположенной в свободном пространстве -к (р л Предполагается, что имеются следующие соотношения симметрии относительно направлений р = 0, я ДН столообразного вида несложно аппроксимировать первыми несколькими членами ряда (4.84). В частности, при трех членах ряда График ДН (4.85) показан на рис.4.10. В дальнейшем предполагается, что размер экрана достаточно велик и края экрана мало возмущают распределение тока источника. Таким образом, для ближнего поля источника справедливо приближение бесконечного экрана. Модель источника задается в виде идеально проводящего полу-цилиндра радиуса а с распределенными на его поверхности магнитными токами (рис.4.13). Полу-цилиндр сопряжен с бесконечным плоским экраном. Зеркальный источник в виде второй половины цилиндра условно показан более тонкими линиями. Магнитный ток полу-цилиндра определяется для каждого члена ряда (4.85). Азимутальная гармоника магнитного тока области г а создает магнитное поле Касательная к цилиндру составляющая электрического поля Амплитуда #„„ определяется граничным условием Например, при а0 = 0.5;а2 =а4 =-0.24 получается FN(0) = -28dB и /-«19.U. Таким образом, для большинства практически интересных размеров экрана можно считать, что при формировании ДН типа (4.85) экран целиком находится в ближнем поле. Поверхностная плотность электрического тока
Несобственные интегралы в (4.105) сходятся абсолютно и интегрирование трудностей не вызывает. Для примера на рис.4.12 показаны графики ДОИ для слабонаправленного источника (пунктир) и для источника со столообразной ДН (сплошные кривые). Графики построены для экранов полным размером 6 и 20 длин волн. Можно отметить значительные преимущества характеристик антенны со столообразной ДН. В частности, для экрана размером 6 длин волн ДОИ не превосходит -ЗОдБ, начиная с угла порядка 35 градусов, и -20дБ, начиная с угла 20 градусов . Характеристики экрана размером 20 длин волн приведены для справки. Здесь -20дБ достигается под углом 10 градусов и общий уровень для высоких углов составляет вплоть до -50дБ. Асимптотическая оценку (4.105) при больших kL получается интегрированием по частям Интересно сравнить этот результат с аналогичным результатом для ненаправленного источника (4.53). При столообразной ДН ДОИ убывает быстрее с ростом kL за счет более быстрого убывания токов ближней зоны. Однако сами по себе эти токи весьма заметны. ДОИ источника со столообразной ДН меньше (лучше) аналогичного параметра для ненаправленного источника при Для рассмотренного примера при а0 = 0.5; а2 = а4 = -0.25 имеем L 0.8Я. Следовательно, преимущества антенны со столообразной ДН проявляются уже при относительно небольших размерах экрана. Допустимый размер такой антенны нуждается в уточнении с учетом ограничений на сверхнаправленность. При малых р в приближении (4.54) асимптотика (4.108) переходит в Таким образом, в отличие от слабонаправленной антенны, здесь имеется возможность управления ДОИ за счет повышения скорости роста (крутизны) дещср).
