Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование ш>инципов построения антенн для многопрограммного регионального телевещания. разработка методики синтеза излучателей антенн с реактивными элементами
1.1 Основные требования к антеннам для многопрограммного ретонального телевизионного вещания. Обоснование принципов построения антенн и выбор перспективных принципиальных и технических решений 19
1.2 Обоснование общих требований к излучателю с реактивными элементами. Постановка задачи синтеза излучателя 33
1.3 Разработка методики и общего алгоритма синтеза излучателей антенн с реактивными элементами 47
1.4 Разработка упрощенной модели и алгоритма предварительного этапа синтеза излучателя с реактивными элементами на основе метода эквивалентных схем 58
1.5 Разработка алгоритма завершающего этапа синтеза излучателя с реактивными элементами на основе применения строгих электродинамических методов 66
1.6 Выводы по разделу 79
2 Разработка методики синтеза многополосных согласующих цепей для антенн многопрограммного телевещания 82
2.1 Обсуждение подходов к задаче многополосного согласования Методика и общий алгоритм синтеза многополосной согласующей цепи . 82
2.2 Разработка частной методики и алгоритма синтеза многополосной согласующей цепи на основе шлейфовых трансформаторов
2.3 Разработка частной методики и алгоритма синтеза многополосной согласующей цепи на основе линии с малыми квазипериодическими неоднородностями 110
2.4 Сравнительный анализ вариантов построения многополосной согласующей цепи. Оценка их областей применения 122
2.5 Выводы по разделу 132
3. Разработка методики синтеза широкополосных согласующих цепей для антенн многопро граммного телевещания - 135
3.1 Обсуждение подходов к задаче широкополосного согласования. Методика и общий алгоритм синтеза широкополосной согласующей цепи - 135
3.2 Аппроксимация частотной характеристики входного импеданса излучателя. Синтез нагрузки Дарлингтона. Оценка достижимых уровней согласования - 141
3.3 Разработка алгоритма предварительного этапа синтеза. широкополосной согласующей цепи на основе метода Боде-Фано-Юлы - 155
3.4 Разработка алгоритма завершающего этапа синтеза широкопо лосной согласующей цепи на основе параметрической оптимизации - 166
3.5 Выводы по разделу 175
4. Разработка, апробация и практическая реализация методики проектирования антенн для много программного регионального телевещания 179
4.1 Разработка методики и алгоритма проектирования антенн для многопрограммного регионального телевещания 179
4.2 Апробация и практическая реализация методики проектирования при создании антенн вертикальной поляризации - 193
4.3 Апробация и практическая реализация методики проектирования при создании антенн горизонтальной поляризации 210
4.4 Экспериментальное исследование антенн 219
4.5 Выводы по разделу 240
Заключение 242
Список литературы
- Обоснование общих требований к излучателю с реактивными элементами. Постановка задачи синтеза излучателя
- Разработка частной методики и алгоритма синтеза многополосной согласующей цепи на основе шлейфовых трансформаторов
- Аппроксимация частотной характеристики входного импеданса излучателя. Синтез нагрузки Дарлингтона. Оценка достижимых уровней согласования
- Апробация и практическая реализация методики проектирования при создании антенн вертикальной поляризации
Введение к работе
В настоящее время телевизионным вещанием охвачено около 99% населения Российской Федерации, в том; числе и 97% сельского. Но в плане количественного обеспечения населения различными телевизионными программами ситуация в стране на данный момент не столь оптимистична.
По данным Госкомстата на начало XXI века две и более программ телевидения могут смотреть, соответственно 96,7% и 91,4% населения страны; три и более программ 67,1% и 34,5%, соответственно; четыре программы; и-более 38,6% и 11,1%, соответственно.
Почти в 18 тысячах населенных пунктов России принимается всего одна телевизионная программа. Очевидно, что в такой ситуации нельзя говорить о достаточно полноценном обеспечении населения услугами электронных средств массовой информации:
Если для городов перспективным является кабельное телевидение, то для сельской местности замены эфирному телевидению, по-видимому, не будет еще очень долгое время [65,, 97]. Такое положение особенно характерно для восточных регионов России с их большими редко населенными территориями:
Несмотря на. успехи в развитии< кабельного, спутникового и MMDS-телевидения, . потребность в телевизионных каналах неуклонно возрастает. Так, в Самаре за последние полтора десятилетия количество эфирных телеканалов увеличилось с двух до двенадцати..
Ежегодно в России выдаются сотни вещательных лицензий, что неизбежно ведет к росту числа телевизионных каналов и увеличению одновременно работающих радиосредств в < диапазоне телевизионного вещания. Вместе с тем, рынок телевизионных услуг радиотелевизионного вещания развивается в стране неравномерно. В более благоприятных условиях находится население городов и крупных населенных пунктов. По мере изменения структуры электронных средств массовой информации, совершенствования техники формирова-
ния, передачи и приема телевизионных программ, совмещения их с передачей других видов информации и перехода к интерактивному режиму работы ожидается рост как государственного, так и общественного интереса к телевизионному (в том числе цифровому) вещанию.
Рост числа станций регионального телевизионного вещания, особенно в сельской местности, разумеется, будет меньше, чем в мегаполисах, но, тем не менее, ожидается ощутимым. Отечественным разработчикам и производителям нужно быть готовыми к быстрому увеличению спроса в соответствующем секторе рынка телекоммуникационного оборудования.
Особенно остро стоит проблема обеспечения объектов регионального телевещания антенно-фидерным оборудованием. Установка сложных антенных систем совместно со сравнительно маломощными передатчиками для организации регионального ТВ вещания нецелесообразна экономически, поскольку стоимость такой антенно-фидерной системы будет существенно превышать, стоимость передающего (ретрансляционного) оборудования. Строительство новых опор (как типовых, так и нестандартных) для размещения таких антенных систем требует значительных финансовых затрат, выделения;свободной площадки вблизи места размещения технических средств.
В связи с этим решение актуальной задачи развития сети регионального ? многопрограммного телевизионного вещания неизбежно будет тормозиться (что уже наблюдается) отсутствием: дешевых, компактных, конструктивно простых широкополосных маломощных передающих антенн.
Таким образом, существует актуальная * научно-техническая проблема развития теоретической и технической базы . в области анализа, синтеза и проектирования маломощных широкополосных и многополосных антенн в целях; создания, передающих антенн диапазона і УВЧ для регионального многопрограммного телевизионного вещания.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется? следующими основными достижениями.
Трудности?сокращения стоимости, массы и габаритных размеров* антенн; связаны с определенными принципиальными факторами, которые не позволяют, уменьшить стоимость антенны пропорционально уменьшению мощности; Действительно, основные габаритные размеры антенны определяются; не мощностью^ а ее направленными свойствами и входным:сопротивлением; т.е. условиями согласования с фидером передатчика..
ь, Направленность антенны маломощной телестанции в общем і может быть,
снижена; относительно мощной' антенны за счет уменьшения=зоны (обслуживания; что,. впрочем, не: всегда оправдано энергетически... Еще серьезнее обстоит дело; с вопросом согласования. Как известно [40 44; 102] к передающим ^телевизионным антеннам предъявляются высокие требования по согласованию, гораздо і более жесткие, чем к антеннам для звукового вещания; во; избежание по-
ф. второв на экранах телезрителей: В больших антеннах мощных телестанций этот
вопрос решается!путем компенсации отражений,.как; правило, двукратной,[28j 35]; возникающих от отдельных вибраторов или частей антенны, которая представляет собой многоэлементную многоэтажную антенную решетку. Многократная' компенсация; отражений^ обеспечивает высокий уровень согласования; (коэффициент бегущей волны 0,9; 0,95) в широкой полосе частот (включающей» в себя весь телевизионный диапазон или даже два диапазона— четвертый и пя-тый)., Но, разумеется; для > малых антенн такая * сложная; схемаї компенсации; от-ражений не может быть применена;
Для расширения диапазонаїчастот малых передающих телевизионных антенн представляется!перспективным подход, заключающийся? в использовании? реактивных вставок, включенных в провод антенны [1,2, 4-6, 36; 49; 64, 80-82; 84, 85; 88-92,. 126,128-130; 132, 134, 136; 140]. Применение катушек, включае-
4 > мых последовательно в провод антенны, известно уже очень, давно [87, 126]ї
При таком включении антенна настраивается* в; резонанс на рабочей частоте,
антенна получается короче, чем резонансная антенна без катушки, настроенная на ту же частоту, а полоса частот уже, чем у антенны без катушки. При после-довательном включении конденсатора картина получается обратная: резонансная длина антенны увеличивается, полоса частот расширяется. Включение в провод антенны многих конденсаторов с соответствующими интервалами между ними обеспечивает равномерное согласование антенны в широкой полосе частот [64, 13 4] і
Исследованы характеристики и рассмотрена методика расчета различных типов антенн с реактивными вставками, в частности, в трудах Т. Маклина, Д. Найкви-ста, В:В. Овсяникова и других ученых [36, 49,. 64, 80, 81, 129, 130, 132, 134, 140]; предложен ряд технических решений [1, 2, 4-6, 84, 85, 88-92] антенн различного назначения, к которым предъявляются существенно менее жесткие требования по согласованию, чем к телевизионным. Однако в известной литературе не удалось обнаружить сведений о методиках реализации: упомянутым способом простых телевизионных антенн, равно как и соответствующих схем и конструкций таких антенн.
На- основании детального изучения упомянутой выше научно-
техническойи патентной литературы можно сделать заключение, что упомяну
тым выше способом ?. может быть достигнута у относительно простых антенн
достаточно широкая полоса частот (целиком і каждый из дециметровых телеви
зионных диапазонов или даже оба этих диапазона). Однако уровень согласова
ния, достаточный для передачи телевидения, особенно аналогового, в«той же
полосе частот, по-видимому, недостижим; без принятия дополнительных мер.
Очевидно,, в пределах полосы (полос) рабочих частот (поддиапазонов или от
дельных телевизионных каналов) необходима дополнительная коррекция со
гласования с помощью неперестраиваемых широкополосных или многополос
ных согласующих устройств.
Ф По вопросам широкополосного согласования импедансов имеется об-
ширная научно-техническая литература, которая здесь частично цитирована [8,
9, 13,21, 23, 25,.26, 34, 38, 39, 42, 43, 46, 58, 59, 61-63, 69, 71, 83, 90, 95, 96, 98,99, 105,106,108-111, 113,115, 120, 121, 123; 133, 135, 137, 141]. Существенный вклад в теорию и практику согласующих устройств внесен трудами Р. Фа-но, Вай Кайченя, Х.Дж. Карлина, Г.Г. Чавки, А. Л: Бузова, JI.G. Казанского, М.А. Минкина, В.Л. Карякина и ряда других авторов. Определены принципиальные ограничения на достижимые уровень и полосу согласования [105], в том числе. в пределах нескольких отдельных полос [109]. Рассмотрены как классический, так и численный методы синтеза, в том числе с использованием процесса оптимизации в области действительных частот [21, 34, 39^42, 43, 58, 69, 71, 95, 96, 98,99, 108-111, 113,121, 123,133, 135, 137, 141]. Предложенряд согласующих устройств, в том числе простых в реализации, но эффективных для относительно узких полос [8, 9, 23, 25, 26, 38, 59, 60, 63, 83, 115, 120], в частности, для. нескольких полос [25 і 26, 38, 60, 109]: Однако, применительно к проблематике исследования, указанные методы и технические решения нуждаются в дальнейшем развитии.
Просты в изготовлении и настройке согласующие устройства на несколько частот или узких полос, основанные на периодическом включении неодно-родностей в фидер [3, 54, 60]} По-видимому, подобные.устройства перспективны и в рамках проблематики исследования, несмотря на то, что они- имеют относительно большую электрическую длину.
На основе использования и дальнейшего развития упомянутых выше научно-технических достижений, с учетом относительно малых уровней мощностей; передатчиков, по-видимому, могут быть.созданы простые и*компактные устройства для согласования малых телевизионных передающих антенн в пределах нескольких раздельно расположенных полос телевизионных каналов (групп каналов) и разработаны методики их проектирования:
Для успешного синтеза согласующих устройств необходимо знание точного значения полного входного сопротивления антенны в требуемых полосах, частот. Это может быть достигнуто путем применения численных электроди-
намических методов расчета. Нас интересуют методы, позволяющие рассчитывать антенны, состоящие из проводов, т.е. проводящих элементов^ поперечные размеры которых много > меньше длины рабочей волны и значительно меньше -длины самих проводников, что позволяет пренебречь токами, текущими не параллельно оси проводника-[24, 27, 29^ 30-33, 53, 56, 57, 66, 67, 74-78, 112, 116-119, 122, 124, 125, 131, 138, 139]. Такие методы к настоящему времени в значительной степени развиты и продолжают интенсивно развиваться, в частности, A.JL Бузовым, В.В: Юдиным, В:А. Негановым. Все эти методы могут быть разделены на?две группы: Методы первой; группы [66, 67, 75, 118, 122, 125, 131] разработаны в предположении, что ток сконцентрирован по оси провода; с математической точки зрения это означает, что электродинамическая задача отыскания амплитудно-фазового распределения тока по проводникам антенны сводится к решению интегрального уравнения г первого рода. Соответствующая задача является некорректно поставленной с.неустойчивым решением. С практической же точки зрения это означает, что амплитудно-фазовое распределение токов определяется не совсем точно: обычно точность бывает вполне достаточной для расчета диаграмм направленности, но часто бывает не достаточной для определения- входных сопротивлений антенн, особенно, если имеются резкие перепады в размерах сечения проводников. Достоинством\ этой группы методов является скорость счета. Методы второй группы [24, 30, 32,,33, 56, 57, 77,-78; 138JJ разработаны в предположении, что токи текут по поверхности: проводников,, что в большей степени соответствует физической реальности; соответствующая математическая задача является корректно поставленной- и? точность определения;токов;получается выше, чем у первой группы методов, однако, скорость счета получается меньшей. В нашем случае было бы целесообразным использование какого-либо метода из второй группы, если бы синтез согласующего устройства предполагалось. производить для уже выбранной конкретной антенны. Однако для получения наилучшего результата целесообразно синтезировать одновременно весь комплекс антенна - согласующее устройство.
Предполагается, что, по крайней* мере, на завершающем этапе синтеза,
будет использована численная параметрическая; оптимизация; при этом? элек-
тродинамическая задача по определению распределения токов должна решать
ся многократно. Это обстоятельство заставляет предпочесть первую группу ме
тодов. В недавних работах В.В; Юдина и его учеников разрабатывается метод
повышения точности расчета входных сопротивлений антенн в приближении
осевого тока [31; 74, 119]i Существо метода заключается в том, что для опреде
ления тока анализируется дальнее : поле.. Применение этого метода в наиболь-
^: шей степени, отвечало бы условиям стоящей" перед нами задачи, поскольку bv
нем сочетается высокая скорость счета с точностью определения входных со
противлений. Однако; непосредственное применение этих результатов к антен
ным системам, содержащим неизлучающие нагрузки, включенные в провода:
антенны, по-видимому, невозможно. Необходима разработка соответствующей
модификации данного метода.
Ф Для обеспечения: достижения глобального минимума и сокращения вы-
числительных затрат при параметрической оптимизации излучателей, особенно*
с учетом заметной ресурсоемкое численных электродинамических методов,
чрезвычайно важен корректный выбор начального приближения. С этой точки
зрения целесообразен предварительный» приближенный синтез с использовани
ем упрощенных моделей; излучателей; Наиболее перспективным в этом отно
шении представляется использование хорошо известного метода эквивалент
ам ных схем [14; 70; 101], успешно применявшегося ранее для анализа коротких
вибраторов; однако для обеспечения применимости в рассматриваемой; области
исследования, в том- числе для длинных антенн с реактивными элементами,
указанный метод нуждается в дальнейшем развитии.
Цель работы — решение задачи обоснования принципиальных и техниче-
{+> ских решений многополосных излучателей, разработки методик и алгоритмов
синтеза широкополосных излучателей, многополосных и широкополосных co-
гласующих цепей, с целью создания передающих антенн диапазона УВЧ для регионального многопрограммного телевизионного вещания,. имеющей суще-ственное значение для теории и техники антенн.
Для достижения поставленной цели в настоящей диссертационной работе выполнена следующая программа исследований.
Обоснование принципов построения антенн для многопрограммного регионального телевещания; разработка методики синтеза излучателей антенн с реактивными элементами.
Разработка методик синтеза- многополосных и широкополосных согласующих цепей для антенн многопрограммного телевещания.
Разработка методики проектирования антенн для многопрограммного регионального телевещания.
Апробация и практическая реализация разработанных методик- и алгоритмов.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения.
Обоснование общих требований к излучателю с реактивными элементами. Постановка задачи синтеза излучателя
По результатам проведенного выше анализа, для антенн регионального телевещания, в качестве перспективного решения, принято построение вибра «t тора с электрическим» «укорочением» («удлинением») за счет включения реактивных элементов (вставок). Из общих соображений, с учетом обоснованных выше принципиальных подходов, для вибратора должно быть обеспечено выполнение следующих общих требований: - глобальный максимум характеристики направленности вибратора в широкой полосе частот (один или два диапазона телевещания на УВЧ) должен быть ориентирован в направлении, перпендикулярном его оси; - входной импеданс вибратора в этой полосе частот, должен быть низкодобротным и, по возможности, слабо зависеть от частоты.
Формализацию задачи обоснования общих требований к излучателю с реактивными элементами (вставками) выполним применительно к модели симметричного вибратора в приближении линейного тока [14, 67], т.е. вибратор рассматриваем как симметричную линейную структуру, электродинамические характеристики которой вполне определяются распределением комплексной амплитуды тока Iz(z) на интервале z є [-1,1] (рис.. 1.5). При этом пока не учитывается конкретный способ формирования амплитудно-фазового распределения тока (способ возбуждения, геометрия проводника, активные или реактивные вставки и т.п.), а также возможная дискретность параметров как функций координат.
Как известно [93, 101], z-компонента векторного потенциала Az в точке наблюдения, расположенной в дальней зоне вибратора рис. 1.5 определяется выражением: A2= —il2iz)e cos0dz, (1.1) R -г где /3=2лїЛ - коэффициент фазы, R, в- сферические координаты точки наблюдения. Меридиональная компонента вектора напряженности электрического поля в точке наблюдения [93]: Ёв =-i—ZcAe=i j Zcsm0Jlz(z)e cos0dzf (1.2) где ZQ — волновое сопротивление среды. С учетом симметрии функции распределения тока относительно начала координат (рис. 1.5): Iz{-z) =7z(z), выражение (1.2) приводится к виду: -ifSR I Ев-і Zcsm$)\1z(z)cos(j3zcos0)dz. (1-3) Ш о
Распределение тока, вообще говоря, должно определяться в результате решения соответствующей электродинамической задачи одним из существующих строгих численных методов [116]. Однако, для целей предварительной качественной и приближенной количественной оценки зависимости реализуемых параметров вибратора от его геометрических и электрофизических характеристик целесообразно воспользоваться известной приближенной моделью вибратора, связанной с его представлением эквивалентной длинной линией с потерями [14, 70]:
Ниже будет показано, что, несмотря на весьма приближенный характер исходной гипотезы, этот метод (так называемый «метод эквивалентных.схем», применявшийся и применяющийся до сих: пор в инженерной практике для расчета относительно коротких вибраторов) при соответствующей модификации может быть успешно использован в рамках предварительного (приближенного) этапа синтеза вибраторов с реактивными нагрузками. Пока что воспользуемся, упомянутой моделью для приближенного описания; характера распределения! тока в вибраторе.
Итак, полагаем, что распределение Iz (z) в (1.3) формируется бегущей по проводнику (от источника, расположенного в точке z=0) затухающей волной тока I\(z)и аналогичной «отраженной» волной Ї2(2), распространяющейся в противоположном направлении. Тогда: ї2{2) = ІіЄ- +І2е- - , (1.4) где y = rj + i%- некая постоянная распространения.
Следует отметить, что электрофизические характеристики структуры мы предполагаем целенаправленно формируемыми, а, еле довательно, не связанными жестко с характеристиками окружающей среды. В частности (вообще говоря), % /3.
Поскольку должны выполняться условия: І2 (1) = 0, /z(0) = /0ro (1.4) находим: /2=-V; І0=Ії(1-е-2 ) и окончательно: 1_g-2r(/- ) Iz{z) = I . (1.5) 1-е На рис. 1.6 - 1.8, в качестве примера, приведены кривые, описывающие распределения модуля (амплитуды) и аргумента (фазы) тока в модели вибратора, рассчитанные по формуле (1.5). Сопоставление с результатами, известными из литературных источников [14, 67, 70], показывает, что модель, несмотря на приближенный характер, является достаточно гибкой и обеспечивает (по крайней мере качественно) вполне адекватное описание различных вариантов распределения тока в вибраторах, включая вибраторы с относительно большими электрическими длинами.
Разработка частной методики и алгоритма синтеза многополосной согласующей цепи на основе шлейфовых трансформаторов
Одной из основных процедур параметрического синтеза любой антенны (антенной системы) является ее электродинамический анализ. В настоящее время электродинамический анализ антенны, как устройства, излучающего в пространство электромагнитную энергию, представляет собой решение внешней задачи строгими методами математической физики.
Как известно, решение антенной электродинамической задачи строгими методами является очень трудоемким процессом: В основном антенная задача формулируется в виде интегрального уравнения, где в качестве искомой функции выступает функция распределения тока по поверхностям проводников, образующих конструкцию антенны [16, 53, 58, 99, 122] Формализованная таким образом задача не имеет аналитического решения, поэтому для ее решения широко применяют численные (ориентированные на использование ЭВМ) методы. Для решения антенных задач (решения соответствующего интегрального уравнения) в основном применяют методы, основанные на замене искомой функции некоторой известной функцией, которая представляет собой линейную комбинацию элементарных (базисных) функций со своими весовыми коэффициентами. Так, например, для вертикального линейного симметричного вибратора, ориентированного вдоль оси z, функция распределения тока по его плечам может быть представлена в виде: N 7(z)«2 (z), (1-.31). /=1 где b,{z) — система базисных функций, определяющих характер поведения искомой функции поверхностного тока на плечах вибратора; сt — весовой коэффициент при /-ой базисной функции; N- число учтенных базисных функцийїпри аппроксимации искомой функции.,
Из теории уравнений математической физики: известно, что если уравнение , имеет решение, это решение единственное и является: устойчивым, ТО і в пределе при N — оо приближенное равенство можно заменить на точное [15; 16,99].
Однако учет большого числа членов в линейной комбинации (1.31) приводит/ к заметному возрастанию вычислительных затрат на решение задачи, иными словами, на это требуется все больше времени и машинных ресурсов.
Необходимо подчеркнуть, что в процессе параметрического синтеза антенны подобные вычислительные процедуры приходится выполнять многократно. Это существенно увеличивает время, затрачиваемое на разработку антенны.
Уменьшить это время и, соответственно, количество итераций алгоритма параметрического синтеза представляется возможным, благодаря выбору удачного начального приближения — набора параметров антенны, значения которых максимально приближены к оптимальным значениям.
Выбор начального приближения может осуществляться на основе использования упрощенных представлений о рассматриваемом явлении, эмпирических данных, применения более простых аналитических выражений. Одним из таких подходов при анализе большого класса вибраторных антенн является представление антенны в виде ее эквивалентной схемы, что \ позволяет для ее анализа применить хорошо разработанный и несложный аппарат теории линейных электрических цепей [48].
Все выше сказанное относится и к рассматриваемым в работе излучателям антенн с реактивными элементами.
Таким образом, применительно к таким излучателям методика их синтеза должна содержать следующие два основных этапа: - предварительный этап синтеза, включающий в себя оценочный расчет основных параметров излучателя; - завершающий этап синтеза, на котором на основе анализа параметров излучателя, заданных своими приближенными значениями, строгими электродинамическими методами определяются окончательные размеры и величины параметров элементов, образующих конструкцию излучателя.
Рассмотрим более детально структуру каждого этапа. Условно каждый этап разобьем на стадии.
На первой стадии первого этапа в соответствии с исходными данными (число и номера каналов) определяются полосы рабочих частот излучателя 4/І =Ав "/Г, -i =fi -fi, ... , п =/: -A" (we Лв - верхняя частота гг-го телевизионного канапа, fn - нижняя частота и-го телевизионного канапа). Далее на этапе предварительного анализа полагается, что излучатель должен обладать заданными параметрами в полосе частот А/" = /лв — f"
В; соответствии с величиной Л/" выбирается начальный вариант построения излучателя, содержащего реактивные элементы. Основным типом реактивных элементов для широкополосного согласования служат емкостные нагрузки, включаемые в разрывы плеча вибратора. Поэтому на данной стадии в качестве параметров начального варианта построения излучателя определяются: - число емкостных нагрузок и их начальные номиналы; - размеры емкостных нагрузок; - места их включения в плече вибратора; - длина плеча вибратора с учетом размеров емкостных нагрузок.
Для указанной системы элементов строится эквивалентная схема. Для линейного симметричного вибратора при расчете входного импеданса удачной оказывается схема в виде отрезка разомкнутой на конце двухпроводной линии с потерями. Длина отрезка двухпроводной линии равна длине плеча вибратора. В соответствующих местах двухпроводной линии включены, сосредоточенные емкости, номиналы которых соответствуют выбранным начальным номиналам емкостных нагрузок, включенных в плечо вибратора. Нагрузкой линии в данном случае является входное сопротивление вибратора.
На второй: стадии производится расчет эквивалентной схемы, заданной\ своими начальными параметрами, а именно расчет ее сопротивления нагрузки в требуемой і полосе частот. Полученная зависимость сравнивается с аналогичной требуемой зависимостью. При этом оценивается, в первую очередь, насколько хорошо расчетные значения соответствуют требуемым значениям во всей полосе частот. Если это выполняется только в некоторых частотных полосах, то; производится оценка ширины каждой из этих полос и их места расположения на частотной оси.
Аппроксимация частотной характеристики входного импеданса излучателя. Синтез нагрузки Дарлингтона. Оценка достижимых уровней согласования
На втором (завершающем) этапе решаются следующие основные задачи: - на основе параметров рассчитанной линейной согласующей цепи (ее структура является начальным приближением для завершающего этапа: синтеза) производится пересчет номиналов сосредоточенных элементов І в соответствующие размеры элементов цепи с распределенными параметрами; эти переменные являются исходными данными для второго этапа синтеза; - для цепи с распределенными параметрами; строится целевая функция и выбирается метод поиска ее экстремумов; - определяются допустимые диапазоны варьирования параметрами цепи; - разрабатывается вычислительный алгоритм, реализующий поиск экстремумов целевой функции и определения в этих точках параметров согласующей цепи; - среди возможных квазиоптимальных вариантов (наборов параметров элементов согласующей цепи) выбирается наилучший с точки зрения практиче ской реализации вариант цепи.
Целевая; функция по сути определяет расстояние в метрике соответствующего пространства между функцией, аргументами которой являются искомые величины, и некоторой априорно заданной функцией, определяющей желаемый результат. Задачей оптимизации является поиск таких значений; аргументов пер вой из них, при которых расстояние между двумя функциями было бы минимальным, причем это минимальное значение должно быть не больше предельно-допустимого значения (в идеале оно должно быть нулевым);
В соответствии с тем, какого результата требуется достичь, иными словами, требуется ли достичь оптимальных значений в среднем, либо необходимо получить данный результат в заданных точках, зависит и выбор метрики.
Диапазоны варьирования параметрами схемы в основном определяются возможностью их физической реализации на существующей элементной базе и габаритными ограничениями, которые налагаются конструктивным исполнением согласующего устройства.
В зависимости от вида построенной целевой функции выбирается метод поиска ее экстремумов (в основном минимумов). Если целевая функция является дифференцируемой по каждой из входящих в нее переменных, то в качестве метода поиска экстремумов можно использовать градиентные методы, обладающей довольно высокой скоростью сходимости. Если же целевая функция не гладкая, то для поиска экстремумов могут быть использованы методы покоординатного спуска.
Структурная схема общего алгоритма синтеза широкополосной согласующей цепи представлена на рис.3.1. Подробно содержание каждого из входящих в схему алгоритма элемента будет рассмотрено ниже.
При решении задачи синтеза широкополосной согласующей цепи в качестве сопротивления нагрузки (которое должно быть согласовано с сопротивлением генератора) выступает входное сопротивление излучателя (вибратора) в заданной полосе частот. В общем случае комплексное входное сопротивление вибратора; в достаточно широкой; полосе; (даже: не превышающей; октавную) может изменять свой: характер, переходя, например;- от индуктивного (на низких частотах) к емкостному на более высоких в пределах заданной полосы. Однако, как показали?исследования,; проведенные; автором; в результате синтеза излучателя с. реактивными элементами tможно добиться; устойчивого характера для з реактивной: части входного импеданса; причем удается f получить, как; для І активной: его составляющей; так;и; для реактивной;, достаточно равномерную? частотную характеристику.
Как было отмечено ранее; (п.311); дляшспользования математического; аппарата теории линейных; цепей на предварительном этапе синтезам согласующей; цепи; необходимо;реальную комплексную нагрузку (входное сопротивление вибратора) представить, в виде линейнойїцепи, содержащей;; активные ш реактивные элементы: Разработка методикш синтеза?широкополоснойщепш дляшроизволь-нош нагрузки; является; достаточно- трудоемкой! задачей;, С другой! стороны, в; теории-;синтеза таких цепей?широко используютсяшагрузюгБоде;и; Дарлингтона (их схемышредставленыша рис.3;2); для? которых: процесс синтеза; согласующей цепи І достаточно; хорошо изучен и І разработаны соответствующие методики.. Поэтому с;точки?зрения построения!эффективного алгоритма предварительного этапа желательно использовать в качестве аппроксимации реальной; нагрузки; цепь Дарлингтона, подбирая- параметры ее: элементов таким; образом, чтобы взаданной полосе частот ее частотная характеристика совпала бы. с частотной характеристикой реальной нагрузки. Цепь Дарлингтона является более; предпочтительным вариантом аппроксимации? реальной нагрузки; в виде входного сопротивления вибратора по следующим причинам (это: следует из их; построения): - активное сопротивление нагрузки-Дарлингтона вполосе частот никогда не равно нулю, что в принципе соответствует поведению активной части входного сопротивления вибратора;
Апробация и практическая реализация методики проектирования при создании антенн вертикальной поляризации
Основное назначение предварительного этапа синтеза широкополосной согласующей цепи состоит в построении (синтезе) многозвенной согласующей цепи и расчете номиналов ее элементов, которые будут являться начальным приближением для завершающего этапа, связанного с параметрической оптимизацией параметров согласующей цепи. Процесс синтеза согласующей цепи здесь должен опираться на строгие научные теоретические результаты и, в то же время, обладать достаточной эффективностью с точки зрения быстроты по лучения результата. Таким образом, основной упор при разработке алгоритма предварительного этапа должен быть направлен на разработку некоторой упрощенной модели и ее анализ соответствующими известными численно-аналитическими методами.
При выборе метода параметрического синтеза необходимо решить вопрос, какой из известных методов наиболее удобен; для приближенного описа-ния цепей с распределенными параметрами. Традиционно на- практике для решения указанной задачи- используют цепной подход, представляя цепь, с распределенными ,параметрами;в виде линейной электрической:цепи с сосредоточенными параметрами;[67], для анализа которой далее применяется известный и хорошо разработанный аппарат теории линейных электрических цепей; В частности этот аппарат широко используется и при проектировании широкополосных согласующих цепей. Наиболее полно теория синтеза таких цепей представлена в работах Боде, Фано, Юлы [22, 34, 105, 142]. Основной;задачей, рассматриваемой при проектировании широкополосных согласующих цепей, является проблема создания «оптимального» четырехполюсника без потерь, согласующего сопротивление нагрузки ZH(co) с генератором; имеющим активное внутреннее сопротивление гг и получить во всем диапазоне частот заданную частот-ную характеристику преобразования мощности (7(со ) [22].
Поскольку параметры, определяющие данную характеристику (коэффициент отражения, коэффициент передачи и т.д.), однозначно связаны с КБВ, который наиболее часто используется в антенной теории техники, как коэффициент, характеризующий степень согласования источника, и нагрузки, в дальнейших рассуждениях будем использовать этот параметр. Для краткости г обозначим его через Къ и будем считать, что при синтезе согласующей цепи требуется обеспечить заданную частотную характеристику Кь((д). При этом будем пола-гать, что имеет место эквивалентность функций Сг(ш ) и Кь((йі) в том смысле, что максимум частотной характеристики G(co ) будет соответствовать макси-муму функции Кь{( ), а заданная неравномерность характеристики G(co ) будет обеспечивать заданную неравномерность функции Кь((й).
В основном при синтезе согласующей цепи полагают, что заданная час-тотная характеристика С7(со ) может иметь вид баттервортовской, чебышевской или эллиптической характеристики и-го порядка. На рис.3.6 представлены графики функции С(со2) согласующего четырехполюсника с баттервортовской и чебышевской характеристиками. На данном графике отмечена величина сос, обозначающая частоту среза данной согласующей цепи.
Синтез согласующей цепи по методу Боде-Фано-Юлы предполагает рассмотрение полосы частот 0 со сос, поэтому для того, чтобы воспользоваться его основными соотношениями, необходимо перенести анализируемую полосу частот в указанный диапазон на величину сон (нижняя граница заданной частотной полосы) и учесть его при восстановлении фактических параметров элементов синтезированной цепи [22, 34, 142].
При разработке алгоритма синтеза согласующей цепи необходимо уделить внимание вопросу формализации цепи нагрузки. Для этого необходимо проанализировать характер изменения величины Z в заданной полосе частот. Как было показано в исследованиях, проведенных автором в рамках настоящей работы, удается синтезировать излучатель с входным сопротивлением (в данном случае это сопротивлением выступает в качестве сопротивления нагрузки), которое в заданной полосе частот представляет собой сумму чисто активного сопротивления и реактивного сопротивления, носящего емкостной характер. Соответственно, функция Z3 будет представлять аналогичную функцию: гэ( у) = Лэ(а )-ИГэ(дО, (3.13) в заданной полосе частот.
Частотные свойства нагрузки данного типа с известной степенью точности могут быть аппроксимированы двумя способами (см. п.3.1, п.3.2): в виде нагрузки Боле, представляющей собой параллельное соединение резистора Я и: емкости С: Б виде нагрузки Дарлингтона, состоящей из сопротивления R\, соединенного параллельно с нагрузкой Боде.
