Конструктивный синтез и оптимизация антенных решеток с фидерной схемой питания Гайнутдинов, Тимур Аншарович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Широкое применение в системах радиосвязи, работающих в коротковолновом (KB) и средневолновом (СБ) диапазонах нашли антенные решетки (АР) с фидерной схемой питания. Помимо получения высокого значения коэффициента направленного действия (КНД),применение антенных решеток с фидерной схемой питания позволяет решить и ряд других,важных на практике задач, например, создание диаграммы направленности (ДН) заданной формы,увеличение мощности излучения антенны .при сохранении нормального электрического режима питающих линий и т.д.

Антенные решетки с фидерной схемой питания в зависимости от способа подключения излучателей делятся на АР с последовательной и параллельной схемой питания.Классическим примером АР с последовательной схемой питания является антенна бегущей волны с элементами связи (например, антенна типа БС ), а АР с параллельной схемой питания - синфазная горизонтальная диапазонная антенна (антенна СГД ). Антенные решетки с последовательной схемой питания в основном применяются в режиме осевого излучения,а АР с параллельной схемой - в режиме нормального излучения.

Однако,обладая высокими потенциальными возможностями,АР~с > фидерной схемой питания,особенно АР с последовательной схемой питания, на практике имеют характеристики весьма далекие от оптимальных. Во многом это связано с тем, что отсутствуют строгие методы проектирования, позволяющие точно реализовать амплитудно-фазовое распределения (АФР) тока по излучателям АР, обладающие эффективными характеристиками направленности.В частности,проектирование основных - типов -АР-G-фидерной схемой питания обычно-ведется-без-учета взаимного влияния между излучателями или с помощью весьма приближенных способов его учета. Например,при проектировании антенн БС и "Заря" входное сопротивление всех излучателей полагается одинаковым и равным либо входному сопротивлению одного из излучателей,находящихся в средней части решетки,либо некоторому усредненному значению входного сопротивления, что является довольно грубым прибли-лижением. Если при проектировании АР с параллельной схемой питания такое допущение является вполне обоснованным, так как при нормальном режиме излучения степень взаимного влияния сравнительно невелика, то для АР с последовательной схемой питания, работающих в режиме осевого излучения,это приближение весьмо условно. Из-за этого удовлетворительные результаты проектирования получаются при реализации

б АР весьма узкого класса АФР тока (амплитудное распределение - экспоненциально убывающая функция, а фазовое распределение соответствует закону бегущей волны),которые как показано в работе,весьма далеки от оптимальных.Поэтому разработка методов проектирования АР с фидерной схемой питания,позволяющих строго решать задачу реализации в АР произвольных АФР тока, и следовательно улучшить электродинамические характеристики таких АР,представляется весьма актуальной задачей,

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов конструктивного синтеза и оптимизации АР с фидерной схемой питания и создание на основе полученных- результатов конкретных оригинальных методик модернизации уже действующих АР,а также рекомендаций по построению новых АР с фидерной схемой питаниях

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать возможность строгого решения задачи конструктивного синтеза АР с фидерной схемой питания.

2. Разработать метод конструктивного синтеза АР с фидерной схемой питания в виде, удобном для практического применения.

3. Определить типы АР с фидерной схемой питания, для которых применение разработанного метода является наиболее эффективным и оправданным.

4. Разработать метод оптимизации тех АР, для которых применение методов конструктивного синтеза не представляется возможным.

5- Разработать на основе полученных методов рекомендации по модернизации некоторых действующих АР с фидерной схемой питания, с целью улучшения их электродинамических характеристик. -- Научная новизна диссертационной работы - -заключается--в следую- - щем:

і. Исследованы АФР, обеспечивающие повышенный КНД АР при наличии ограничения на максимально допустимый перепад амплитуд токов в излучателя^-* решетки.

г. Теоретически обоснована возможность реализации произвольного АФР токов в излучателях АР с фидерной схемой питания при чисто реактивном характере настроечных элементов и отсутствии поглощающей нагрузки на конце антенны.

з. Предложен эффективный метод решения задачи конструктивного синтеза АР с фидерной схемой притания, позволяющий строго решить задачу реализации требуемого АФР в излучателях АР с учетом взаимного влияния между излучателями.

4. На основе разработанного метода конструктивного синтеза АР со схемой питания последовательного типа получены формулы для определения настроечных элементов в схеме питания действующей СВ антенны "Заря", при реализации которых улучшаются ее электродинамические характеристики.

s. Исследованы некоторые способы улучшения характеристик помехозащищенности KB приемных антенн типа ВС.

Методы исследования. Для реализации перечисленных задач в диссертационной работе используются обобщенный метод наведенных ЭДС, матричный анализ, методы анализа и синтеза СВЧ устройств, методы численного моделирования и оптимизации с применением компьютера.

Достоверность разработанных методов синтеза подтверждается строгими методами решения поставленных задач,корректностью используемого при этом математического аппарата,сравнением расчетных результатов по исследуемым антеннам с экспериментальными данными,а также испытаниями на одном из объектов Главного центра управления сетями радиовещания и радиосвязи -ГЦУРС, г.Москва, отраженными в соответствующем акте использования.

Практическая ценность диссертационной работы определяется следующим:

разработанный метод синтеза АР с фидерной схемой питания позволяет по заданным электродинамическим характеристикам полностью определить конструкцию антенны,

разработаны методики настройки сложной СВ передающей антенны "Заря",позволяющие существенно увеличить КНД антенны или уменьшить УБЛ и не требующие последующей экспериментальной доводки,

- предлагается способ перенастройки СВ направленной АР в режим
формирования- всенаправленной -(в горизонтальной шюскости^-ДН-г—

- предложены способы улучшения характеристик помехозащищенности
KB антенн типа БС.

Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы были использованы на практике,что подтверждают соответствующие документы,а также применялись в учебном процессе в МТУСИ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы неоднократно обсуждались на кафедре технической электродинамики и антенн Московского технического университета связи и информатики (1992-1995 гг.), докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподовательского состава,сотрудников научно-исследовательской части и аспирантов МТУСИ в 1991-1995 годах, на всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и элек-

3X6 5

тромагнитной совместимости (Улан-Уде, июль 1990), на региональг научно - технической конференции "Сложные антенные системы и компоненты . Теория, применение, экспериментальные исследовани (Ленинград ,июнь 1991), на научно-методическом совете произволе венного объединения по радиосвязи и радиовещанию (Москва, янва 1990 и дека0рь 1991).

Публикации по работе.Основные результаты,полученные в работ опубликованы в двух научно-технических статьях , в материал конференций и совещаний, указанных выше, и в бюллетенях изрбрет тений (одно авторское свидетельство).Всего опубликовано з г рабо

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, ч тырех глав, заключения .трех приложений и списка литературы из і наименований. Она содержит і*г страницы основного текста, іоз р; сунка на 77 страницах ин страниц приложений. Общий объем ра~бо-ты - гзз страницы.

Основные положения, выносимые на защиту

і. Разработанные методы синтеза АР с фидерной схемой питг ния позволяют строго решить задачу реализации произвольного A3 токов в излучателях АР.Для решения этой задачи при условии соглг сования на входе антенны необходимо и достаточно иметь 2N+1 ^нас1 роечных элементов в схеме питания АР,где Ц - число излучателей і АР.

г. Решение задачи реализации произвольного АФР токов в излуч телях АР.всегда возможно при чисто реактивном характере настрое ных-элементов и отсутстнки-поглощающей-нагівузки- -на--конце -антенн что обеспечивает ее высокий КПД.

3. Поиск АФР,обладающих повышенным КНД и предполагаемых к ре лизации в АР с фидерной схемой питания,необходимо проводить в кл се комплексных";функций,имеющих ограничение на максимально допуст мый перепад амплитуд токов в амплитудном распределении и обеспеч вающих существование фазового центра в решетке. При этом огранич ние на перепад амплитуд токов,помимо обеспечения благоприятного кима работы линии питания, является своеобразным "регуляризаторо степени сверхреактивности антенны.

4. Разработанный метод синтеза АР с фидерной схемой питания : волнет улучшить электродинамические характеристики действующей с. ной СВ антенны "Заря" (повысить в г раза КНД или уменьшить УБЛ

з*: 5

цБ) при сохранении нормального электрического режима работы линии гания.

s. Для АР с фидерной схемой питания, число настроечных элементов зхеме питания которой меньше 2N+1 задачу проектирования необходимо нать как задачу оптимизации. Разработанный метод оптимизации проек-рования АР позволяет существенно повысить характеристики помехозащи-аности KB приемной антенны типа БС.