Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы синтеза линий лестничного типа 14
1.1. Теоретическое описание линии лестничного типа 14
1.2. Регулярная линия лестничного типа 20
1.3. Двухпроводная линия с периодической системой нагрузок в проводах 23
1.4. Общие решения телеграфных уравнений 32
1.5. Выводы по главе 1 41
Глава 2. Синтез излучающих линий лестничного типа бегущей волны . 42
2.1. Вибраторная антенна бегущей волны с линией питания лестничного типа 42
2.2. Рамочная антенна бегущей волны с линией питания лестничного типа 56
2.3. Излучающая линия лестничного типа на базе двухпроводной линии 63
2.4. Излучающая линия лестничного типа на базе несимметричной полосковой линии 78
2.5. Выводы по главе 2 87
Глава 3. Синтез модулированных излучающих линий лестничного типа ... 89
3.1. Характеристики направленности излучающих модулированных линий лестничного типа 89
3.2. Излучающая полосковая линия с модулированной фазой тока 96
3.3. Излучающая полосковая линия с амплитудной модуляцией тока 113
3.4. Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением 122
3.5. Однопроводная антенна с изменяющимся диаметром провода 140
3.6. Излучающая модулированная периодически нагруженная двухпроводная линия 154
3.7. Излучающая модулированная двухпроводная линия с изменяющимися диаметрами проводов 171
3.8. Выводы по главе 3 190
4. Антенные решетки излучающих отрезков модулированных полосковых лестничных линий и возбуждающие их устройства 192
4.1. Метод расчета линейных антенных решеток полосковых излучателей 192
4.2. Выбор амплитудного распределения излучающего элемента 209
4.3. Возбуждающие устройства плоских антенных решеток 229
4.4. Схемы построения антенных решеток 234
4.5. Выводы по главе 4 258
Заключение 259
Список литературы 263
Приложение 271
- Двухпроводная линия с периодической системой нагрузок в проводах
- Рамочная антенна бегущей волны с линией питания лестничного типа
- Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением
- Выбор амплитудного распределения излучающего элемента
Введение к работе
Руководством Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации (бывшее Министерство связи РФ) неоднократно отмечалась важность создания современных средств связи, таких как: сотовых наземных систем подвижной связи, локального бескабельного телевидения MMDS, INTERNET, систем спутникового телевидения, спутниковых радио систем связи и ряда других.
К настоящему времени разработано ряд программ и проектов по модернизации и развитию радиосредств, например, «Программа развития систем спутниковой связи и вещания Российской Федерации на 1992-2000 г. «Россия», Федеральная программа «Электронная Россия (2002-2010) годы».
Создание новых радиосистем передачи информации во многом определяется конструктивными параметрами, электрическими характеристиками антенн (таких как: всенаправленные в азимутальной плоскости антенны; секторные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности (ДН), равную заданному угловому сектору обслуживания; остронаправленные антенны), их себестоимостью изготовления, удобством эксплуатации и дизайном.
Сейчас в качестве таких антенн используются, как правило, вибраторные или щелевые излучатели, фазированные антенные решетки (ФАР), диэлектрические антенны, зеркальные и линзовые антенны [ 1 ]. В ряде случаев эти антенны по методам расчета и тактико-техническим характеристикам не удовлетворяют в достаточной степени требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам.
В связи с этим можно утверждать, что создание оригинальных антенных устройств, развитие новых теоретических методов описания их работы и совершенствование технологии изготовления является актуальной научно-технической задачей.
Анализу работы антенных устройств, например ФАР, как электродинамических системам, наибольшее применение находят методы численного решения интегро-дифференциальных уравнений [2 -12].
Другим направлением теории антенных устройств является решение задач синтеза: нахождение по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве практически реализуемых по конфигурации проводников и диэлектриков, образующих антенно-фидерное устройство [13, 14, 15, 16]. закона изменения диэлектрической и магнитной проницаемости [17], распределение поверхностного импеданса вдоль антенно-фидерного устройства [16] и т.п.
Так как возможность изменения формы антенны и электрических параметров материалов, из которых она изготовлена, значительно ограничена условиями их эксплуатации, то особый интерес представляет задача нахождения распределения импеданса на поверхности антенно-фидерного устройства по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве при фиксированной геометрии.
Обширный обзор научных работ, посвященный структурам с поверхностным импедансом, был сделан М.А. Миллером и В.И. Талановым [18], которые акцентировали внимание на то, что импедансные соотношения между компонентами электромагнитного поля являются простейшими из числа обеспечивающих единственность решения задачи, позволяющие получить легко интерпретируемые результаты даже для сложных электромагнитных структур, а следовательно, и анализировать эти структуры с общих позиций.
Численные решения задач синтеза импедансных структур, как правило, приводит к необходимости исследовать плохо обусловленные системы линейных алгебраических уравнений большого порядка, решение которых по-прежнему составляет одну из центральных проблем численных методов в электродинамике.
Одним из направлений решения задач синтеза импедансных структур в аналитическом виде являются методы решения, основанные на усредненных граничных условиях, которые справедливы для определенного класса импедансных структур.
Эффективность использования усредненных граничных условий при исследовании электромагнитных свойств различных проволочных сеток, рассматривая их как импедансные структуры, показана в работах Конторовича М.И., Вайнштейна Л.А. и СивоваА.Н. [19,20,21]. В работах ТерешинаО.Н. и Двуреченского В.Д. [22 -г 36] исследован ряд оригинальных антенных устройств с использованием усредненных импедансных граничных условий для структур в виде ограниченного числа тонких проводников, в которые периодически включены сосредоточенные реактивные нагрузки, двумерно периодических проволочных и щелевых структур в виде проволочных и щелевых сеток, в провода и щели которых включены реактивные сосредоточенные нагрузки.
Одним из продуктивных направлений создания новых антенно-фидерных устройств является рассмотрение электродинамических структур, которые можно представить в виде отрезка эквивалентной двухпроводной линии, содержащей периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок с переменным импедансом (лестничные линии). Для описания работы таких устройств, как правило, используются неоднородные телеграфные уравнения. Представляется перспективным применить неоднородные телеграфные уравнения при синтезе излучающих отрезков лестничных линий.
Цель работы - создание эффективных и высокотехнологичных антенн на основе линий лестничного типа для радиосистем передачи информации, таких как системы стационарной и подвижной радиосвязи, радиорелейной связи, спутникового телевидения, передачи данных и др.
Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи:
теоретически обосновать и разработать алгоритмы синтеза излучающих систем лестничного типа, основанные на решениях обобщенных телеграфных уравнений;
теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность создания эффективных излучающих систем на основе нерегулярных проводных и полосковых линий передач;
разработать методики синтеза антенн, включая плоские антенны, с заданными характеристиками излучения;
- оценить эффективность разработанных методик, апробировав их при
создании оригинальных антенн для радиосистем передач информации в
широком диапазоне частот.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем основной части диссертации содержит 271 страницу, из которых 158 страниц текста, 113 страниц иллюстраций.
В первой главе определено понятие линии лестничного типа, как двухпроводной линии, в которую последовательно и параллельно на одинаковом расстоянии Т друг от друга включены сосредоточенные нагрузки. Получены решения обобщенных телеграфных уравнений для линии лестничного типа, которые связывают импеданс включенных в линию сосредоточенных нагрузок с заданным распределением тока или напряжения, представленных в виде комплекснозначных функций или в виде амплитудно-фазового распределения вдоль линии.
Теоретически обоснована правомерность использования обобщенных телеграфных уравнений для синтеза линий лестничного типа.
Во второй главе исследованы излучающие линии лестничного типа: вибраторная и рамочная антенны бегущей волны с линией питания лестничного типа; излучающая линия лестничного типа на базе двухпроводной и несимметричной полосковой линий. На базе результатов первой главы созданы
методики расчета таких излучающих линий лестничного типа, практическая применимость которых экспериментально обоснована.
В третьей главе с помощью полученных в первой главе аналитических выражений обоснована возможность реализации в линии лестничного типа модулированного по фазе и по амплитуде тока, представляющего собой сумму трех бегущих волн, одна из которых является ускоренной (вытекающей) волной, обусловливающей излучение в требуемом направлении в том числе и по нормали. Установлено, что конструктивно условие существования модулированного по фазе и амплитуде тока в линии обуславливается периодическим изменением импедансов включенных в линию сосредоточенных нагрузок. Показано, что, если в двухпроводной или полосковой линиях волновое сопротивление изменяется вдоль линии по гармоническому закону, то в линии можно возбудить ток в виде суммы трех бегущих волн. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что при соответствующем периодическом изменении волнового сопротивления линии имеет место излучение из линии в виде вытекающей волны. Представлены результаты экспериментов.
Четвертая глава посвящена исследованию возможности создания плоских антенн в виде решеток излучающих отрезков модулированных полосковых линий. Теоретически, используя преобразование Фурье, предложен метод расчета линейных полосковых антенных решеток. Предложен способ корректировки амплитудно-фазового распределения тока в излучающем элементе за счет введения в распределение слабо изменяющейся функции. Рассмотрены оптимальные способы возбуждения таких антенных решеток, представлены экспериментальные результаты.
В приложении представлены выпускаемые в ОАО «ЦКБ-связь» по результатам диссертационной работы описания антенн различных радиосистем для
широкого диапазона частот (0,1 до 80) ГГц и их основные электрические характеристики.
Методы исследования: аналитический аппарат электродинамики, метод синтеза антенн, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы малого параметра и медленно изменяющихся функций, теория рядов Фурье.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны теоретические основы излучающих устройств в виде лестничной структуры - двухпроводной линии с последовательно и параллельно включенной системой сосредоточенных нагрузок, получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно электродинамические процессы в этих структурах.
Определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах, найдены общие решения этих уравнений относительно неизвестных сосредоточенных нагрузок для различных форм задания требуемого для практической реализации тока или напряжения.
Разработан метод расчета вибраторной и рамочной антенн бегущей волны с линией питания лестничного типа.
Для однопроводной линии лестничного типа в виде расположенного над плоским экраном провода (или проводящего полоска), в который на одинаковом расстоянии друг от друга включены реактивные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами линии при распространении в ней ускоренной волны тока.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность существования в линии лестничного типа модулированного по амплитуде и (или) фазе тока, который можно представить в виде суммы трех бегущих
волн, одна из которых при определенных параметрах модуляции может быть ускоренной, обеспечивающей излучение в заданном направлении.
Разработан метод расчета излучающих модулированных линий лестничного типа на основе двухпроводной и однопроводной линий передач, в которые последовательно или параллельно включены периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок, импеданс которых периодически изменяется вдоль антенны.
Разработан метод расчета полосковых антенн вытекающей волны в виде отрезка несимметричной полосковой линии с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения ширины полоска.
Разработан метод расчета линейных антенн с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости на базе модулированных двухпроводных линий с периодическим изменением либо систем реактивных нагрузок, включенных в провода линии, либо диаметров проводов линии.
Разработан метод расчета полосковых антенн с изменением волнового сопротивления по соответствующему квазипериодическому закону для обеспечения необходимого для повышения эффективности функционирования антенной решетки амплитудно-фазового распределения тока вдоль антенны.
Разработан метод проектирования плоских антенных решеток в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением (переменной шириной полоска).
На базе разработанных теоретических основ модулированных полосковых линий с использованием теорий рядов Фурье предложен метод расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы, соединенных отрезками полосковых линий.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
предложенная в диссертационной работе теория излучающих линий лестничного типа положена в основу методик расчета целого ряда антенн:
низкоподвешенные антенны имеющие высоты подвеса излучающей структуры над металлом от 0,03 -г ОДА,;
линейные антенны с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости;
секторные антенны с шириной диаграммы направленности 120, 90, 60, 45, 30 в одной плоскости и 15 -г 5 градусов в другой плоскости;
плоские антенные решетки с коэффициентом усиления до 40 дБ.
Научно-технические решения, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, легли в основу пятнадцати авторских свидетельств и патентов на изобретения оригинальных антенн.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы были использованы при разработках антенных устройств в опытно-конструкторских работах «Двина», «Двина-М», «Робот», «Линия» (заказчики МВД РФ, Минсвязи РФ и др.) и семнадцати научно - исследовательских работах, выполненных в ОАО «ЦКБ-связь».
ОАО «ЦКБ-связь» выпускает целый ряд антенн, при разработке которых использовались методики, созданные в диссертационной работе, для различных радиосистем в различных диапазонов частот (от 0,1 до 80 ГГц).
Апробация результатов работы и публикации.
Основные положения и результаты работ докладывались на двух научно-технических конференциях и на НТС Министерства связи СССР (1989 г.), а созданные на основе результатов диссертационной работы различные типы антенн представлялись на международных выставках:
в Москве «Связь-94», «Связь-95», «Связь-96», «Связь-97», «Связь-98», «Связь-99», «Связь-2000», «Связь-2001», «Связь-2002», «Связь-2003», «Связь-2004», «Связь-2005»,
в Женеве «Телеком-96», «Телеком-97».
Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в монографии [37] и 11 статьях в ведущих научных журналах [38-г 48], 17 отчетах по НИР.
Новизна предложенных технических решений защищена 15 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения [49 -f 63].
На защиту выносится:
основанный на решениях обобщенных телеграфных уравнений, математический аппарат синтеза линий лестничного типа;
метод синтеза вибраторных и рамочных антенн с линией питания лестничного типа;
метод синтеза антенн бегущей волны в виде излучающей регулярной линии лестничного типа;
теоретическое обоснование возможности реализации условий излучения в линиях лестничного типа, представляя ток в линии в виде суммы трех бегущих волн, одна из которых ускоренная (излучающая);
теоретическое обоснование синтеза излучающих модулированных линий лестничного типа с использованием понятия малого параметра;
Двухпроводная линия с периодической системой нагрузок в проводах
Рассмотрим двухпроводную линию, в провода которой с периодом Т включены одинаковые реактивные сопротивления jXi (см. рис. 1.4). Как отмечалось выше такая линия является разновидностью линии лестничного типа (В2 = 0). В такой линии можно возбудить бегущую волну тока I(z) = I0 e"yz, где 10 -постоянный множитель. Постоянная распространения у связана с сопротивлением Xi согласно (1.7) следующим равенством: (1.8) которое следует из обобщенных телеграфных уравнений (1.5), (1.6). С другой стороны эту связь можно получить через усредненные граничные импедансные условия на периодически нагруженных проводах [16]. Для этого запишем составляющие электромагнитного поля, которые соответствуют току I(z) в рассматриваемой двухпроводной линии: Н \х) - функция Ганкеля, W - волновое сопротивление окружающего пространства, к - волновое число окружающего пространства, 0 0 0 Р - волновое число, причем Р = к + у , гп, фл, z - система полярных координат, связанная с п-проводом. В соответствии с [16] на каждом проводе должны выполняться импеданс-ные граничные условия: После подстановки соответствующих составляющих электромагнитного поля (1.9) получим выражения для определения величины реактивной нагрузки Хн. О О Когда -к у 0, то Р - действительное число, а в линии может распространяться ускоренная волна. В этом случае где D - расстояние между проводами. Наличие мнимой части ImF(x,y) подтверждает тот факт, что ускоренная волна является излучающей, интенсивность излучения которой зависит от соотношения между (За и PD. Нарис. 1.5 и рис. 1.6 показаны зависимости от D Re F(x,y), ImF(x,y) при фиксированных значениях а = 0,001Я, а = 0,0 XX и различных значениях р\ Из рис. 1.5 и 1.6 видно, что отношение гг близко к 1 и тем ближе к 1 чем меньше а (радиус провода). Из графиков следует, что допустимое максимальное расстояние между проводами при использовании обобщенных телеграфных уравнений может достигать 0,3X. Если в линии необходимо создать условия распространения замедленной волны (у -к ), то (3 = -jv - мнимая величина и
Нарис. 1.7 и рис. 1.8 показаны зависимости от D Ф(х,у) при фиксированных значениях а = 0,001/1, а = 0,01/1 и разных значениях v. Из рис. 1.7, 1.8 видно обобщенные телеграфные уравнения на практике дают достаточную точность при расчетах линий лестничного типа для D ОДА,. В дальнейшем будут рассматриваться задачи, приводящие к необходимости решения системы дифференциальных уравнений (1.5), (1.6) когда известно либо распределение тока I(z) либо напряжения U(z) вдоль линии, а неизвестными являются функции Zin(z) и Y2n(z). В этом случае из уравнений (1.5), (1.6) известным способом получаются два дифференциальных уравнения первого порядка относительно функций Zin(z) и Y2n(z): Предположим, что распределение напряжения в линии задано в следующем виде: где F(z), (z) - известные действительные функции; Uo - амплитудный множитель. После подстановки (1.14) в (1.12) и выделения действительной и мнимой частей в (1.12) получим два выражения: Gin, G2n, Bin, B2n - действительные функции от z. В соответствии с принятыми обозначениями сосредоточенные нагрузки Во многих случаях Ri(z) и G2(z) известные функции при заданном U(z), а в В2(г)и X](z) входят в виде слагаемого проводимость и сопротивление сосредоточенных нагрузок, которые необходимо определить. Следовательно, если Ri(z) Ф О, то Fu(z) зависит от неизвестной функции Bin(z) и система уравнений (1.15) неразрешима в квадратурах.
Рамочная антенна бегущей волны с линией питания лестничного типа
Рамочная антенна бегущей волны представляет собой периодическую структуру из соосных круглых металлических рамок, расположенных на одинаковом расстоянии Т друг от друга. Каждая рамка соединена с двухпроводной линией питания лестничного типа, в проводники которой на расстоянии Т друг от друга последовательно и параллельно включены реактивные нагрузки jX„i и jBH2, соответственно (см. рис. 2.10). Диаграмма направленности (ДН) рассматриваемой антенны определяется распределением тока вдоль рамок и законом изменения его вдоль антенны, причем током 1п рамки считают ток в точках ее соединения с линией питания. Величина 1п связана с напряжением в лестничной линии соотношением: Un = ZpnIn, где Zpn - входное сопротивление рамки; 1П - ток, протекающий в n-й рамке; п - номер рамки. Величина Zpn определяется как сумма взаимных сопротивлений, в которой учитываются амплитуды токов на входе каждой рамки: где Znm - взаимное сопротивление n-й и m-й рамок; Znn - собственное сопротивление n-й рамки; In, Im - амплитуды токов соответственно в n-й и m-й рамках; N - общее количество рамок. Взаимное сопротивление Znm можно определить методом наведенных ЭДС, описанном в [71]. При заданной ДН антенны считаем, что распределение тока вдоль рамки и вдоль антенны определены. Следовательно, можно вычислить входное сопротивление каждой рамки, после чего станет известной величина Zpn и можно будет определить напряжение в лестничной линии. Представим это известное напряжение в следующем виде
Тогда для определения реактивных нагрузок воспользуемся выражениями (1.30) и (1.31). Постоянную интегрирования С в (1.30) определяем из соотношения активной мощности P(z) в конце P(L) и начале Р(о) линии. где G2 - zr G р - реальная часть входной проводимости рамки. Следовательно q0 - относительная часть входной мощности, дошедшей до конца антенны. Приведенные выше выражения позволяют при заданных размерах антенны связать величины Хнь Вн2 с заданным распределением напряжения в линии питания. Проведем расчет рамочной антенны, изображенной на рис. 2.10. Собственные сопротивления Znn каждой рамки определяются из [71, 72]. Взаимные сопротивления Zmn рамок расчитываются методом наведенных ЭДС и при условии, что длина рамок не превышает 0,5Я, а диаметр проводника рамок много меньше Т, определяются из следующего выражения: і = min Up , определяемое в работе [71] отношение минимума тока в рамке к величине тока в точке подключения линии питания к рамке, b - радиус рамки ; к —— _ волновое число; Ф, Ф - углы, отсчитываемые от оси ОХ. А Для проверки методики расчета был изготовлен макет рамочной антенны бегущей волны со следующим законом изменения тока на входе каждой рамки: I(z) = I0 exp(ar - jfi)z. В качестве исходных данных принято: где f- длина окружности рамки. На рис.2.11 и 2.12 приведены графики изменения величины входных сопротивлений рамок вдоль антенны. Штриховой линией на последних двух рисунках показаны графики аппроксимирующих функций RP = 28 0M и Хр = 385 0м, по которым были найдены значения Хн1 = -17,6 Ом и Хн2 = -1/Вн2 = -424 Ом при q0 =0,1 (КПД - 90%). На рис. 2.13 приведены экспериментальная (непрерывная линия) и расчетная (штриховая линия) диаграммы направленности макета рамочной антенны в плоскости ZOX. Экспериментальная ДН практически мало отличается от расчетной и, таким образом, экспериментальные исследования подтверждают, что данную методику можно использовать для расчета рамочных антенн бегущей волны.
Широко применяемая в КВ-диапазоне антенна бегущей волны Бевереджа [6] представляет собой металлический провод, подвешенный над проводящей поверхностью и нагруженной на одном конце активным сопротивлением, равным волновому сопротивлению однопроводной линии. Другой конец подключен к приемнику. Антенна имеет низкий коэффициент полезного действия (К.П.Д.) и поэтому используется только как приемная в KB дапазоне и не может быть использована в более высоких диапазонах, например, СВЧ-диапазонах. Простота конструкции антенны Бевериджа определяет целесообразность ее модернизации ее с целью повышения К.П.Д., что дает возможность использовать ее в широком диапазоне частот не только как приемную, но и как передающую антенну. В разделе 1.3. было установлено, что при распространении в периодически нагруженной двухпроводной линии ускоренной бегущей волны тока имеет место излучение электромагнитной энергии, которое обуславливает потерю мощности в линии.
Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением
Рассмотрим отрезок полосковой линии (рис. 3.14), волновое сопротивление Wj,(z) которой изменяется вдоль линии. Как уже отмечалось в разделе 1.1 распределение тока I(z) и напряжения U(z) связаны между собой телеграфными уравнениями. Из телеграфных уравнений после исключения U(z) получается следующее выражение где k = 2n/X - волновое число, X - длина волны, RH{z) - погонное сопротивление излучения. Полагаем, что распределение тока I(z) в линии задано в следующем виде: где 10 - амплитудный множитель, a(z), (p(z) - функции распределения амплитуды и фазы тока, соответственно. После подстановки (3.29) в (3.28) и разделения (3.28) на мнимую и действительную части получим следующую систему дифференциальных уравнений: Система (3.30) связывает заданное амплитудно-фазовое распределение тока вдоль антенны \a(z\(p{z)) с характером изменения волнового сопротивления W„(z) длинной (полосковой) линии. Полагаем, что требуется реализовать ток в линии следующего вида: I = I0e-az(l + mcosfizyj{kz-Asinfk\ (3.31) где m - индекс амплитудной модуляции, А - индекс фазовой модуляции, Р - модуляционное волновое число, а - коэффициент затухания. Как видно из (3.31) заданный ток модулирован по амплитуде и фазе. Согласно принятым обозначениям При A « 1 ток (3.31) с точностью 0(A ) можно представить в виде суммы трех бегущих волн: Если период модуляции волнового сопротивления линии выбран таким образом, что (3 = к - kcos0o (где 0О - угловой параметр), то второе слагаемое в (3.32) описывает ускоренную волну тока, обуславливающую излучение связанных с линией электромагнитных волн, первым и третьим слагаемым тока (3.32).
Диаграмму направленности (ДН) такой антенны в плоскости XOZ можно представить в следующем виде: где 0 - угол, отсчитываемый от оси линии, h - высота подвеса линии над металлом, L - длина антенны. Как видно из (3.33) направление максимального излучения ДН зависит от углового параметра 0О, коэффициента затухания а и длины антенны L. Изменяя угол 0О, можно обеспечить условие как прямого излучения (0О я/2) так и обратного излучения (я/2 0О я). При 0О = я/2 имеет место излучение по нормали к металлическому экрану несимметричной полосковой линии. Коэффициент затухания а зависит от допустимой остаточной мощности питания на конце антенны PL = Р0е , где Р0 входная мощность питания. Для удовлетворения системы дифференциальных уравнений (3.30) полагаем, что где W0 - амплитудный множитель, у - постоянный множитель. Считая, что т 1 (малый параметр) первое уравнение в системе (3.30) удовлетворяется с точностью 0(m ) для любых значений z при выполнении равенств При этом так же учитывалось, что а « к. Из второго неравенства системы (3.30) следует, что сопротивление излучения Уравнение (3.36) используем для определения индекса модуляции амплитуды тока т. Для этого рассмотрим участок излучающей полосковои линии, где W (z) максимально, а следовательно ширина полоска b(z) минимальна. Согласно (3.34) это имеет место при f$z - (2п - \)л, где п - целое число. В этом случае как следует из (3.36) Так как Wm есть волновое сопротивление излучающей полосковои линии при минимальной ширине полоска bm, то зададим значение bm в этом месте такой, что bm « h, где h - высота подвеса полоска над экраном, и bm « X (к - длина волны). Определим активную часть мощности излучения АРИ в этой части полосковои линии: где Ez - касательная составляющая электрического поля около полоска, обусловленного излучающей компонентой тока (3.32); Нф - магнитная составляющая поля около полоска, обусловленного излучающей компонентой тока (3.32); р - эквивалентный радиус полоска (р=Ьт/тг). Так как излучающая компонента тока Из характера изменения левой части выражения (3.41) как функции m следует,что всегда существует m(0 m l), при котором равенство (3.41) выполняется. На рис. 3.15 -ь 3.17 показаны зависимости индекса фазовой модуляции А и значений i и 2 от постоянной затухания а для разных высот подвеса h полученные из выражений (3.41), (3.32) и (3.35). Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что предпо в зависимости от Л ложение о малости А оправдано для значения а до 0,2 высоты подвеса. На рис. 3.18 -;- 3.20 показана зависимость изменения ширины полосковой линии от длины антенны в пределах одного периода для различных значений _ 1 высоты подвеса h и длины антенны L (при условии, что ее - —. На основании выше изложенного предлагается следующий порядок расчета антенны в виде отрезка излучающей полосковой линии с модулированным волновым сопротивлением: 1. Из класса реализуемых ДН, определяемых формулой (3.33), выбирается подходящая ДН, чем фиксируется длина антенны L, угловой параметр 90. 2. Задаются поперечные геометрические размеры: высота подвеса полоска h, минимальная ширина полоска bm, коэффициент затухания а. Вычисляется максимальное волновое сопротивление Wm. 3. Осуществляется решение уравнения (3.41) и определяется коэффициент амплитудной модуляции т. 4. В соответствии с функциональной зависимостью
Выбор амплитудного распределения излучающего элемента
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем основной части диссертации содержит 271 страницу, из которых 158 страниц текста, 113 страниц иллюстраций.
В первой главе определено понятие линии лестничного типа, как двухпроводной линии, в которую последовательно и параллельно на одинаковом расстоянии Т друг от друга включены сосредоточенные нагрузки. Получены решения обобщенных телеграфных уравнений для линии лестничного типа, которые связывают импеданс включенных в линию сосредоточенных нагрузок с заданным распределением тока или напряжения, представленных в виде комплекснозначных функций или в виде амплитудно-фазового распределения вдоль линии.
Теоретически обоснована правомерность использования обобщенных телеграфных уравнений для синтеза линий лестничного типа.
Во второй главе исследованы излучающие линии лестничного типа: вибраторная и рамочная антенны бегущей волны с линией питания лестничного типа; излучающая линия лестничного типа на базе двухпроводной и несимметричной полосковой линий. На базе результатов первой главы созданы методики расчета таких излучающих линий лестничного типа, практическая применимость которых экспериментально обоснована.
В третьей главе с помощью полученных в первой главе аналитических выражений обоснована возможность реализации в линии лестничного типа модулированного по фазе и по амплитуде тока, представляющего собой сумму трех бегущих волн, одна из которых является ускоренной (вытекающей) волной, обусловливающей излучение в требуемом направлении в том числе и по нормали. Установлено, что конструктивно условие существования модулированного по фазе и амплитуде тока в линии обуславливается периодическим изменением импедансов включенных в линию сосредоточенных нагрузок. Показано, что, если в двухпроводной или полосковой линиях волновое сопротивление изменяется вдоль линии по гармоническому закону, то в линии можно возбудить ток в виде суммы трех бегущих волн. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что при соответствующем периодическом изменении волнового сопротивления линии имеет место излучение из линии в виде вытекающей волны. Представлены результаты экспериментов.
Четвертая глава посвящена исследованию возможности создания плоских антенн в виде решеток излучающих отрезков модулированных полосковых линий. Теоретически, используя преобразование Фурье, предложен метод расчета линейных полосковых антенных решеток. Предложен способ корректировки амплитудно-фазового распределения тока в излучающем элементе за счет введения в распределение слабо изменяющейся функции. Рассмотрены оптимальные способы возбуждения таких антенных решеток, представлены экспериментальные результаты.
В приложении представлены выпускаемые в ОАО «ЦКБ-связь» по результатам диссертационной работы описания антенн различных радиосистем для широкого диапазона частот (0,1 до 80) ГГц и их основные электрические характеристики. Методы исследования: аналитический аппарат электродинамики, метод синтеза антенн, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы малого параметра и медленно изменяющихся функций, теория рядов Фурье.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны теоретические основы излучающих устройств в виде лестничной структуры - двухпроводной линии с последовательно и параллельно включенной системой сосредоточенных нагрузок, получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно электродинамические процессы в этих структурах. 2. Определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах, найдены общие решения этих уравнений относительно неизвестных сосредоточенных нагрузок для различных форм задания требуемого для практической реализации тока или напряжения. питания лестничного типа. 4. Для однопроводной линии лестничного типа в виде расположенного над плоским экраном провода (или проводящего полоска), в который на одинаковом расстоянии друг от друга включены реактивные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами линии при распространении в ней ускоренной волны тока.
