Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время в России наблюдается рост потребности в услугах ДКМВ радиосвязи. В России, как и во всем мире, наблюдается развитие и модернизация систем и сетей ДКМВ радиосвязи, как важного резервного, аварийного, а нередко и основного вида связи. В связи с этим в рамках общего указания президента для развития радиосвязи в ДКМВ диапазоне поставлена задача построения федеральной резервной сети коротковолновой радиосвязи.
Построение такой сети предъявляет новые требования ко всем ее элементам, в том числе, и к антенным системам. В частности, ужесточаются требования в части сокращения земельных площадей, отводимых под размещение антенн. При этом требуется использование относительно компактных антенных систем, обеспечивающих работу во всех направлениях. Изменчивость и неопределенность факторов, влияющих на устойчивость радиосвязи (условия распространения на трассе, помехи, неопределенность положения антенны мобильного корреспондента и т.п.), требуют, чтобы данная антенная система была адаптивной. В связи с этим, в последние годы получили интенсивное развитие ДКМВ антенные системы с обработкой сигнала. Составной частью этого класса антенных устройств являются антенные системы с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками. Применение антенн, обеспечивающих сканирование по всем азимутам, позволит существенно сократить количество антенн радиоцентра и, соответственно, занимаемую им территорию.
В широком смысле использование адаптивных антенн с изменяемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволяет решить важную задачу унификации антенного состава радиоцентров для ближней и дальней связи. Это является первым шагом на пути к созданию нового, универсального радиоцентра.
В связи с этим, для обслуживания всех азимутальных направлений наилучшим образом подходят многолучевые кольцевые антенные решетки (КАР), обладающие поворотной симметрией. В зависимости от области применения КАР к ним предъявляются различные требования. КАР для радиосвязи должны обладать широкополосностью, обеспечивать достаточный уровень КНД, формировать необходимую поляризацию в зависимости от режима радиосвязи, а также формировать необходимую диаграмму направленности.
Поэтому, вполне актуальной является задача разработки методик синтеза передающих и приемных малогабаритных КАР. При этом, успешное построение подобных антенно-фидерных устройств немыслимо без разработки и реализации современных диаграммообразующих систем, отвечающих жестким требованиям по формированию пространственных и поляризационных характеристик излучения.
Степень разработанности темы исследования
Кольцевые антенные решетки традиционно имеют широкое применение в различных задачах радиосвязи, радиолокации и пр. Основные идеи и результа-
ты создания КАР, включая обоснование возможностей и способов управления их пространственными и поляризационными характеристиками, рассмотрены в трудах Д.М. Сазонова, Д.И. Воскресенского, Р.А. Монзинго, Т.У. Миллера, М.В. Ратынского, А.Л. Бузова, Л.С. Казанского, А.Д. Красильникова и других ученых. Однако целостные методики проектирования малогабаритных КАР с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками до настоящего времени созданы не были.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке антенных систем ДКМВ диапазона с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.
Задачи диссертационной работы:
-
Анализ методов формирования и исследования пространственных и поляризационных характеристик излучающих систем.
-
Исследование биортогональных и триортогональных излучателей.
-
Исследование излучающих систем кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных излучателей.
-
Разработка методик синтеза излучающих систем кольцевых и двухколь-цевых антенных решеток.
-
Анализ требований и выбор методов анализа диаграммообразующих систем антенных решеток.
-
Анализ цифровых методов формирования пространственных и поляризационных характеристик КАР.
-
Исследование характеристик и разработка рекомендаций по выбору типа диаграммообразующей системы многолучевых приемных КАР.
-
Исследование характеристик диаграммообразующих систем на основе управляемых делителей и фазовращателей.
-
Разработка методики проектирования приемных кольцевых и двухколь-цевых антенных решеток.
-
Разработка методики проектирования передающих кольцевых и двух-кольцевых антенных решеток.
-
Экспериментальные исследования составных частей КАР.
-
Внедрение результатов диссертационного исследования при создании антенных систем радиосвязи.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– получены новые результаты исследований кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов и установлены возможности управления их пространственными характеристиками (за счет формирования необходимых амплитудно-фазовых распределений) и поляризационными характеристиками (за счет взвешенного суммирования ортогональных линейно поляризованных составляющих) с учетом развязки между элементами и эффектов затенения;
– получены новые результаты сравнительных исследований характеристик диаграммообразующих систем многолучевых приемных КАР на основе
LC-сеток, на основе линий задержки с распределенными параметрами и искусственных линий задержки; разработаны рекомендации по выбору типа диа-граммообразующей системы; проведена оценка областей применения аналоговых и цифровых методов формирования характеристик КАР;
– разработана методика проектирования приемных кольцевых и двух-кольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками, включающая выбор типа излучающей системы, синтез амплитудно-фазовых распределений по выбранному критерию, выбор типа диаграммообразующей системы на основе разработанных рекомендаций и ее последующий синтез по критерию минимизации отклонения амплитудно-фазового распределения от заданного в широкой полосе частот;
– разработана методика проектирования передающих кольцевых и двух-кольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками, включающая синтез излучающей системы и оптимизацию диаграммообразующей системы на основе управляемых делителей и фазовращателей с учетом параметров рассеяния решетки по критерию минимизации отклонения амплитудно-фазового распределения от заданного.
Теоретическая и практическая значимость работы
– Результаты сравнительных исследований характеристик диаграммооб-разующих систем многолучевых КАР различных типов, разработанные рекомендации по выбору типа диаграммообразующей системы и проведенная оценка областей применения аналоговых и цифровых методов формирования характеристик КАР, позволят решать задачи проектирования широкого класса антенных систем различного назначения и диапазонов на основе кольцевых антенных решеток.
– Разработанная методика проектирования приемной кольцевой и двух-кольцевой антенной решетки с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволит создавать малогабаритные широкополосные антенные решетки различных диапазонов для комплексов радиосвязи, радиолокации.
– Разработанная методика проектирования передающих кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволит обеспечить необходимые значения основных тактико-технических характеристик перспективных передающих радиоцентров ДКМВ диапазона, включая высокую эквивалентную мощность излучения и оперативность перестройки направления главного излучения, при существенном сокращении размеров антенных систем.
– Полученные новые результаты исследований кольцевых и двухкольце-вых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов будут полезны разработчикам перспективных антенных систем при выборе технических решений и оценке их предельно достижимых характеристик.
– Разработанная технология настройки LC-сетки, включающая проверку и подстройку модулей, итерационный алгоритм настройки трактов и итерацион-
ный алгоритм настройки краевых нагрузок, может быть использована при производстве различных многополюсных устройств фидерного тракта на основе LC элементов.
Практическая значимость работы подтверждается результатами внедрения отдельных положений и выводов диссертации при разработке:
при разработке предложений по оценке перспектив создания подсистемы радиосвязи ДКМВ диапазона в составе специальной АСУ в рамках ее модернизации в интересах соответствующих организаций;
при разработке схемотехнических и конструктивных решений отдельных составных частей изделия АКАР-Т.
- при разработке предложений по реализации антенно-фидерных трактов антенно-аппаратурных комплексов ДКМВ радиоцентров, предложений по совершенствованию антенно-фидерного оборудования ДКМВ радиосвязи в интересах соответствующих организаций (в форме инженерных записок).
Методология и методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались методы вычислительной электродинамики, методы вычислительной математики, методы теории цепей и длинных линий, методы теории антенн. Для проведения расчетов использовались прошедшие государственную регистрацию программные комплексы, разработанные в ОАО «Концерн «Автоматика».
На защиту выносятся следующие основные положения
-
Новые результаты исследований кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов.
-
Новые результаты сравнительных исследований характеристик диаграм-мообразующих систем многолучевых приемных КАР и разработанные на их основе рекомендации по выбору типа диаграммообразующей системы.
-
Методика проектирования приемных кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.
-
Методика проектирования передающих кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.
Достоверность результатов работы обеспечиваются адекватностью использованных методов и построенных на их основе расчетных моделей. Достоверность результатов работы подтверждается результатами сопоставления расчетных и экспериментальных данных и результатами практической реализации.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
– XV, ХVIII и ХX Российских научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (Самара, 2008, 2011, 2013);
– XIV и XX Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2008, 2014);
– V Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2011).
По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в их числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов исследований на соискание степени доктора и кандидата наук, и 10 публикаций в материалах научно-технических конференций.
