Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного уровня развития техники в области создания сверхширокополосных антенных систем, а также методов повышения эффективности их функционирования 12
1.1. Обзор технических средств и анализ перспектив совершенствования современной аппаратуры радиомониторнига, радиопеленгации и связи 12
1.2. Анализ перспективных методов формирования «виртуальных» антенных решеток, использующихся в различных технических приложениях 41
1.3. Выводы по первой главе 5 3
2. Разработка и исследование путей минимизации влияния дифракционных искажений наблюдаемого электромагнитного поля на качество функционирования антенных систем мобильного и портативного базирования 55
2.1. Исследование методов аппроксимации компонент электромагнитного поля вблизи антенной решетки с помощью степенных рядов, а также классических принципов электродинамики 55
2.2. Исследование метода описания поля вблизи антенной решетки мобильного базирования суперпозицией полей вспомогательных источников и исследование его на устойчивость к изменению геометрии носителя 71
2.3. Исследование физико-математической адекватности методов аппроксимации поля 78
2.4. Разработка методов формирования «виртуальных» антенных решеток, обладающих повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля приемной антенной системой з
2.5.Исследование возможности аппроксимации фазовой структуры электромагнитного поля вблизи антенной решетки портативного базирования 97
2.4. Выводы по второй главе 114
3. Разработка и исследование приемных антенных решеток, построенных на основе сверхширокополосных направленных элементов, а также методов учета дифракционных искажений наблюдаемого поля 116
3.1. Исследование возможности оптимизации процедуры калибровки стационарной радиопеленгаторной антенной решетки 116
3.2. Разработка и исследование сверхширокополосных печатных элементов, используемых для построения линейных антенных решеток 123
3.3. Исследование влияния подстилающей поверхности на характеристики направленности гибридного печатного элемента 135
3.4. Выводы по третьей главе 142
4. Разработка и экспериментальное исследование сверхширокополос ных многолучевых антенн на основе плоской линзы Люнеберга 144
4.1 Разработка и исследование антенн, основанных на возбуждении усеченного биконуса с помощью плоской линзы Люнеберга 144
4.2. Исследование конструкций антенн, основанных на возбуждении плоской линзой Люнеберга системы ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди 153
4.3. Макетирование и натурные исследования линзы Люнеберга, состоящей из концентрических металлических колец 160
4.4. Выводы по четвертой главе 165
Заключение 166
Список цитируемых источников
- Анализ перспективных методов формирования «виртуальных» антенных решеток, использующихся в различных технических приложениях
- Исследование метода описания поля вблизи антенной решетки мобильного базирования суперпозицией полей вспомогательных источников и исследование его на устойчивость к изменению геометрии носителя
- Разработка и исследование сверхширокополосных печатных элементов, используемых для построения линейных антенных решеток
- Исследование конструкций антенн, основанных на возбуждении плоской линзой Люнеберга системы ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных напраатений развития современных радиотехнических систем является совершенствование аппаратных и программных средств, предназначенных для приема и обработки сигналов в сверхширокой полосе частот. Это не только системы военного и специального назначения - радиолокации, радиопеленгации, радионавигации, связи и телекоммуникации, но и портативная аппаратура телекоммуникации гражданского применения — мобильные телефоны, радиомодемы доступа в Интернет, персональные компьютеры (стандарты LTE, UWB и др.).
Для приема сигналов в сверхширокой полосе частот используются различные типы антенн. Антенны Вивальди, ТЕМ- рупоры, вибраторы с плечами конической или полукруглой формы могут в малой степени искажать временную структуру принимаемых сигналов; однако антенные решетки, составленные из этих элементов, могут в сильной степени искажать пространственное распределение электромагнитного поля.
Тонкие вибраторные элементы и решетки, составленные из них, широко используются в аппаратуре радиоконтроля, несмотря на то, что подобные антенны могут сильно искажать временную структуру принимаемых сигналов. Аналогичная проблема возникает и с антенными системами современных мобильных телефонов, часто сформированными из F- антенных элементов в печатном исполнении.
Серьезной проблемой, в существенной степени затрудняющей использование современных методов обработки принимаемых сигналов (в частности, методов пространственного сверхразрешения источников радиоизлучения), является искажение пространственной структуры поля корпусом мобильного (или бортового) носителя антенной системы, а в случае портативной аппаратуры -телом пользователя (мобильный телефон).
В работах крупнейших специалистов по обработке сигналов в приемных антенных системах: Tuncer Е., Friedlander В., Chandran S., Belloni F., Pesavento M. и др., описано множество подходов и методов калибровки приемных антенных решеток; тем не менее, не во всех радиотехнических системах возможно использование этих достаточно сложных и трудоемких процедур. В частности, проведение процедуры калибровки принципиально невозможно в мобильном телефоне; геометрия и материальные свойства мобильных и бортовых носителей приемных антенных систем могут изменяться в процессе эксплуатации, следствием чего является необходимость частого повторения данной дорогостоящей и трудоемкой процедуры.
Поэтому актуальным является создание и исследование сверхширокополосных антенных решеток, пригодных для использования в современных аппаратно-программных комплексах приема и обработки сигналов в стационарном, мобильном (или бортовом), а также в портативном исполнении; весьма актуальной задачей является создание и исследование методов автокалибровки сверхширокополосных приемных антенных систем без использования
какой-либо информации о геометрии и материальных свойствах их носителей (или пользователей).
Обозначенные обстоятельства обусловливают актуальность темы настоящего исследования, выполненного в ходе ряда госбюджетных НИР кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с одним из основных научных направлений «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Объектом исследования являются сверхширокополосные приемные антенные системы для стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, а также портативной аппаратуры телекоммуникации.
Предметом исследования являются дифракционные искажения поля, вносимые приемной антенной системой и ее носителем, а также методы их компенсации на основе формирования «виртуальной» антенной решетки или калибровки приемной антенной системы.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являются' развитие и исследование методов аппроксимации электромагнитного поля вблизи приемной антенной системы, не требующих априорной информации о геометрии и материальных свойствах ее носителя, а также разработка и исследование приемных сверхширокополосных антенных систем с учетом дифракционных искажений измеряемого поля их элементами.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
проведения анализа современного состояния и выявления проблем в области создания сверхширокополосных приемных антенных систем стационарного, мобильного (бортового) и портативного базирования;
развития и исследования методов формирования «виртуальных» антенных решеток, обладающих повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля с помощью приемной антенной системы, расположенной на корпусе носителя и вблизи тела пользователя;
разработки и исследования сверхширокополосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений, вносимых в измеряемое поле;
- экспериментального исследования созданных сверхширокополосных
антенн и разработки методики их проектирования с учетом технологических
особенностей производства.
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, вычислительные методы электродинамики, методы математического моделирования, методы экспериментальных измерений характеристик антенн.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана методика определения области и условий применения мето
дов формирования «виртуальных» антенных решеток, отличающаяся переходом
от анализа исходной трехмерной электродинамической задачи рассеяния волн на
«реальной» антенной системе и корпусе ее носителя к эквивалентной двумерной
задаче, и дающая возможность аналитически описать распределение поля на плоскости, проходящей через центры антенных элементов;
разработан и исследован метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения и обладающий повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля реальной приемной антенной системой;
разработана методика синтеза и анализа полосковых антенных элементов, построенных на основе неоднородной щелевой линии с нагрузкой в виде симметричного вибратора с плечами эллиптической формы, позволяющая создавать кольцевые и линейные антенные решетки, функционирующие в полосе частот с коэффициентом частотного перекрытия, достигающего 3;
разработана методика синтеза и анализа сверхширокополосных антенных систем с коммутационным сканированием, построенных на основе плоских модификаций линзы Люнеберга, отличающаяся возможностью создания многолучевых сверхширокополосных антенн с диаграммами направленности (ДН) игольчатого вида, ориентированными в азимутальной плоскости.
Практическая значимость работы заключается в создании антенных систем и математического обеспечения, позволяющих значительно повысить точностные характеристики и характеристики разрешения по угловым координатам радиопеленгаторных комплексов мобильного базирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», а также Воронежского института правительственной связи (филиала) академии ФСО РФ (г. Воронеж).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
- выяснено, что исследованные и разработанные методы аппроксимации
пространственного распределения поля применимы для значений отношения
радиусов «виртуальной» и «реальной» антенной решеток, вплоть до 2ч-3 - для
мобильных (или бортовых) носителей и до 1.5-гЗ - для мобильного телефона,
находящегося вблизи головы пользователя, при числе элементов «реальной»
антенной решетки от 7 до 18;
метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения, в которой число используемых вспомогательных источников поля не равно числу элементов «реальной» антенной решетки, построенной на основе минимизации целевой функции, аргументами которой являются комплексные амплитуды вспомогательных источников;
методика построения сверхширокополосных приемных линейных антенных решеток, основанная на использовании элементов в виде неоднородной щелевой линии, нагруженной на симметричный вибратор с плечами эллиптической формы, или сверхширокополосных вибраторов специальной формы, размещенных над проводящим экраном, позволяющая существенно ослабить взаимное влияние элементов решетки на их направленные свойства и входное со-
противление;
- методика построения сверхширокополосных приемных антенных структур с коммутационным сканированием или многолучевым режимом диаграммо-образования в азимутальной плоскости, основанная на возбуждении усеченного биконуса, а также ТЕМ - рупоров или антенн Вивальди, с помощью плоской линзы Люнеберга.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2009), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2010), XVI Международной научно-технической конференции «Инноватика 2011» (Сочи, 2011), IV Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (Суздаль, 2011), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009 — 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 10 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 4, 6, 10, 11, 16] - проведение численных экспериментов, математическое моделирование; [3, 8, 12] - поиск и предварительный анализ публикаций; [5] - разработка методики проведения исследования; [7, 9, 13, 15] -изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний; [14] - разработка сверхширокополосных печатных антенн.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах, содержит 89 рисунков и 12 таблиц.
Анализ перспективных методов формирования «виртуальных» антенных решеток, использующихся в различных технических приложениях
В данном подразделе проанализировано современное состояние технических идей в сфере создания антенн для стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, а также их конструкторской и технологической реализации на примерах серийно выпускаемых антенных устройств и систем мировых лидеров в данной области - фирм Rohde&Schwarz (Германия) и TCI (США) [1,2]. Кроме того, проведен анализ современного состояния в сфере широко используемых конструкций антенн для портативных устройств связи (мобильных телефонов).
Актуальность проведения настоящего анализа связана с тем, что имеют место следующие тенденции развития теории, техники и технологии производства радиопеленгаторных антенн: расширение частотного диапазона функционирования стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, требующее разработки антенных элементов, обладающих стабильными направленными свойствами в сверхширокой полосе частот; расширение динамического диапазона функционирования аппаратуры радиопеленгации, требующее совершенствования характеристик активных антенных элементов, а также разработки радиопеленгаторных антенных систем, состоящих из направленных сверхширокополосных элементов; повышение требований к точности измерения угловых координат источников радиоизлучения, требующее создания математического и программного обеспечения стационарных и мобильных аппаратно-программных комплексов радиопеленгации, позволяющих компенсировать систематические по 13 грешности пеленгования, вызванные рассеянием принимаемых электромагнитных волн произвольной поляризации на антенной системе, опорной мачте, корпусе мобильного носителя и других близлежащих предметах.
Фирмы Rohde&Schwarz и TCI выбраны для анализа потому, что они выпускают наиболее широкий спектр аппаратуры радиопеленгации и устройств, использующихся в стационарных и мобильных комплексах радиопеленгации. При этом характеристики аппаратуры и устройств, выпускаемых названными производителями, отличаются весьма высокими показателями, что дает основание считать фирмы Rohde&Schwarz и TCI мировыми лидерами в области теории и техники радиопеленгации.
Начнем анализ с наиболее простых в конструктивном отношении антенн вибраторного типа фирмы Rohde&Schwarz, которые наиболее часто интегрируются с высокочастотными усилителями, функционирующими в сверхширокой полосе частот (с коэффициентом перекрытия до 10 и более) и обладающими очень большим динамическим диапазоном - до 120 дБ и более.
Диапазон рабочих частот активной приемной антенны НЕ010 (рис. 1.1,а), устанавливаемой на корпусе мобильного носителя (или ином противовесе) составляет от 10 кГц до 80 МГц. Антенна предназначена для приема вертикально-поляризованного радиоизлучения и измерения напряженности поля.
Коэффициент калибровки антенны (antenna factor) "[1/лг], определяемый как отношение напряженности электрического поля в точке наблюдения Е к напряжению на выходе антенны U, характеризуемой выходным импедансом 50 Ом:
Активные приемные вибраторные антенны (R&S): а)-НЕ010;б) -НЕ016 Модификация НЕ016 активной антенны состоит из вертикального монополя, записываемого относительно опорной мачты, и двух горизонтальных диполей, рис. 1.16). Данная антенна позволяет осуществлять прием электромагнитных волн с произвольной поляризацией с любого направления.
Антенные устройства НЕ010 и НЕ016 могут быть использованы как в качестве одиночных антенных элементов, так и в составе антенных решеток. Их отличает простота конструкции, возможность приема волн в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 8000- 10000, а также возможность компенсации крайне низкой действующей длины на нижних частотах функционирования за счет тщательно спроектированного высокочастотного усилителя с высоким коэффициентом усиления, низким уровнем собственного шума и нелинейных искажений принимаемых сигналов.
Антенная система R&S ADD Oil, выпускаемая фирмой Rohde&Schwarz (рис. 1.2), предназначена для функционирования в составе стационарных комплексов радиопеленгации в диапазоне частот от 0.3/1 МГц до 30 МГц, использующихся для измерения угловых координат вертикально-поляризованных источников поверхностных радиоволн и направлений прихода пространственных радиоволн с произвольным видом эллиптической поляризации и углами места
Антенная система R&S ADD 011 состоит из девяти антенных элементов, в качестве которых используются вертикальные несимметричные вибраторы (предназначенные для приема вертикально-поляризованных поверхностных волн), пространственно совмещенные с двумя рамками (предназначенными для приема пространственных волн с двумя ортогональными линейными поляризациями), расположенными во взаимно-перпендикулярных вертикальных плоскостях. Антенны располагаются на окружности диаметром 50 м. Высота антенных элементов составляет 3.5 м, масса - 32 кг. Чувствительность активных приемных элементов в диапазоне частот от 1 МГц до 30 МГц изменяется в пределах от 1 мкВ/м до 0.2 мкВ/м, соответственно. Среднеквадратическая погрешность пеленгования источников радиоизлучения в указанной выше полосе частот не превышает 1 .
Исследование метода описания поля вблизи антенной решетки мобильного базирования суперпозицией полей вспомогательных источников и исследование его на устойчивость к изменению геометрии носителя
Хайберг (Hyberg Р.) в работе [34] предложил способ построения преобразующей матрицы, основанный на уменьшении смещения оценок углов прихода сигналов. С учетом членов второго порядка разложения выходной функции метода MUSIC в ряд Тейлора им получена формула для ошибки пеленгования, позволившая синтезировать на основе метода наименьших квадратов алгоритм преобразования с уменьшенной ошибкой. Аналогично подходу Фридландера (Friedlander В.), сигналы вне сектора преобразования игнорируются. Также автор расширил свой подход для учета конечного времени наблюдения. Также предложена версия алгоритма, направленная на минимизацию СКО пеленгования.
В работах [35, 36] проведен анализ ошибок пеленгования (смещения) при использовании преобразования в пространство лучей, получено выражение для ошибки пеленгования. С использованием этого выражения синтезирована процедура для уменьшения дисперсии оценок, вызванной применением преобразования в пространство лучей и на ее основе предложен критерий выбора числа виртуальных антенных элементов. Критерий вытекает из анализа ОБПФ импульсной характеристики решетки и оптимален в смысле максимизации апертуры виртуальной решетки с ограничениями на число виртуальных элементов. Предложенный автором критерий позволяет добиться СКО оценок, близких к значению границы Крамера-Рао.
Принцип формирования «виртуальных» антенных решеток, названный его авторами принципом антенных многообразий, был предложен и подробно исследован в работе [37].
Рассмотрим антенную решетку, состоящую из М элементов. Пусть индекс п соответствует моменту времени наблюдения принимаемых сигналов tn. Запишем вектор выходных сигналов, принимаемых антенной решеткой, в виде х(п)=[х1(п),...,хм(п)] , где n = l,...,N. Если принимаемые сигналы являются уз 46 кополосными, то временной сдвиг сигнала на величину т будет соответствовать величине фазового сдвига о0т.
Обозначив полезный сигнал как s(n), и рассматривая идеальный случай отсутствия шумов, а также отсутствия искажения поля антенной решеткой (и ее носителем), вектор выходных сигналов можно записать в следующем виде: В случае наличия источников шума п(п) и приема сигналов s , создаваемых несколькими источниками, расположенными относительно антенной решетки под углами
Теорема множественного разложения (Manifold Separation theorem), (Бел-лони (Belloni F.), 2007) утверждает, что при умеренных ограничениях, любой управляющий вектор решетки может быть представлен в виде: пространственный сдвиг фаз между соседними элемен До тами линейной эквидистантной антенной решетки, расстояние между которыми равно А; G - матрица выборки (sampling matrix), (МхМ, причем М М, число Й предполагается нечетным); ошибка представления r {rj\ быстро убывает при М -» оо. Данное выражение для величины a(rj) представляет собой усеченный ряд Фурье, приближенно описывающий управляющий вектор решетки, являющийся периодической функцией с периодом 2я. Элементы вектора v( ) в литературе часто называются фазовыми модами. Рїдея описания управляющего вектора решетки посредством относительно небольшого числа фазовых мод впервые высказана Дюроном и Дюроном в 1994.
Усовершенствованная процедура нахождения оптимальной матрицы выборки G была предложена Беллони (Belloni F.), 2007, отличием которой является использование калиброванных управляющих векторов решетки а(//), измеренных на достаточно плотной сетке, покрывающей область изменения ази 48 мутального угла от 0 до 2п, а также процедуры дискретного преобразования Фурье.
Помимо использования калибровки, очевидное преимущество метода интерполяции управляющего вектора решетки а, основанного на использовании преобразования Фурье, является то обстоятельство, что векторы v сходны по своей структуре с управляющими векторами линейной эквидистантной антенной решетки. Наличие эффективных вычислительных процедур для вычисления оптимальной матрицы выборки G для случая линейной эквидистантной антенной решетки определяет перспективность данного подхода. Различие в структуре векторов v, определенных для физически используемой антенной решетки и линейной эквидистантной антенной решетки (которая может трактоваться как «виртуальная» антенная система), состоит в том, что у первой v(sin( )), а во втором («виртуальной» антенной решетки) - v( ).
Исследования, проведенные Беллони (Belloni F.), показали высокую эффективность калибровки радиопеленгаторных антенных решеток, основанную на использовании перехода к эквивалентным линейным эквидистантным «виртуальным» антенным решеткам.
Предлагаемый метод дает точную интерполяцию, но требует достаточно плотной сетки измеренных управляющих векторов, а сами их значения должны быть определены с высокой точностью.
Измерения поля от эталонного генератора, проводимые на практике (что приводит к искажению значений автокорреляционной матрицы), являются за-шумленными, что дополнительно ухудшает качество преобразований. Связь между уровнем шума и числом мод, необходимых для интерполяции, установлена в работе [37]. Получены выражения, описывающие ошибки пеленгования, вызванные шумом калибровки и преобразованием. Предложена формула, описывающая качество MUSIC-подобных методов при использовании метода разделения многообразий. В формуле используются лишь те величины, измерение которых возможно на практике.
Разработка и исследование сверхширокополосных печатных элементов, используемых для построения линейных антенных решеток
Ранее были представлены результаты исследований, направленных на изучение возможности повышения эффективности функционирования современных радиопеленгаторных систем при использовании различных способов аппроксимации электромагнитного поля на некотором расстоянии от реально существующей антенной решетки пеленгатора, где структура ЭМВ уже в меньшей степени искажена из-за негативного влияния корпуса носителя АР. Было выяснено, что использование «виртуальной» антенных решеток большего радиуса и с большим числом элементов, чем физически существующая антенная решетка, позволяет устранить грубые ошибки пеленгования и существенно снизить среднеквадратическую ошибку.
Однако использование данных методов не ограничивается областью радиопеленгации. В настоящем подразделе предпринята попытка расширить область применения методов аппроксимации поля за счет использования их в аппаратуре сотовой связи.
В настоящее время из основных тенденций развития аппаратуры сотовой связи является ее интеллектуализация - современный «смартфон» представляет собой довольно мощный портативный компьютер, позволяющий выполнять многие полезные функции, некоторые из которых реализуются без участия его пользователя. В главе 1 было отмечено, что в современных мобильных телефонах все чаще начинают использоваться адаптивные методы обработки сигналов, принимаемыми несколькими антенными элементами, размещенными внутри корпуса телефона с целью повысить пропускную способность каналов связи, подавить помехи и максимизировать уровень полезного сигнала.
Однако не все проблемы, связанные с улучшением качества мобильной телефонной связи, могут быть решены существующими средствами, и в первой главе уже было отмечено, что существует необходимость в развитии процедур, позволяющих минимизировать или полностью исключить влияние находящегося в непосредственной близости от антенны мобильного телефона, тела человека.
Известно, что тело пользователя оказывает существенное (как правило, негативное) влияние на качество связи - рассеивает и поглощает радиоволны, экранирует антенные элементы. В частности, голова пользователя может ослаблять интенсивность излучения и принимаемых радиоволн в 10 и более раз.
В стационарной базовой станции возможно использовать антенную решетку нужной конфигурации, позволяющей формировать диаграмму направленности нужной формы, поэтому в данном случае не возникает существенных проблем с подавлением помех и выделением полезного сигнала. В крайнем случае, для достижения требуемых характеристик, можно использовать антенную решетку несколько увеличенных размеров и с большим число элементов.
В антенной системе мобильного телефона такой подход уже неприемлем в принципе — невозможно использовать антенную решетку больших размеров, чтобы ее элементы существенно выступали за пределы ее корпуса. Более того, внутри телефона очень мало пространства для размещения антенной системы (как правило, ее элементы выполняются печатным способом - используются F-антенны и их модификации, рассмотренные в первой главе настоящей работы). Поэтому было бы весьма перспективным измерить поле компактной антенной системой, расположенной внутри мобильного телефона, а затем восстановить значения поля в области пространства, расположенной вне его корпуса, где голова и рука пользователя уже не так экранируют и рассеивают принимаемые волны. Аппроксимированные комплексные амплитуды поля могут трактоваться как элементы гипотетической «виртуальной» антенной решетки и использоваться для адаптивной обработки принимаемой информации: уточнения угловых координат источников радиоизлучения, подавления помех, увеличения отношения сигнал/шум на входе приемника, увеличения разрешающей способности по угловым координатам. Ключевой особенностью метода является отсутствие необходимости в использовании какой-либо информации о рассеивателе (теле пользователя) и высокая эффективность его реализации в портативной компьютерной системе реально-временной обработки информации.
Необходимо также отметить, что использование предлагаемого метода позволило бы существенно повысить эффективность применения методов сверхразрешения источников радиоизлучения, методов адаптивной обработки сигналов в многоканальных системах (в частности - метода MIMO), за счет возможности многократного увеличения числа виртуальных каналов, функционально эквивалентных дополнительным реальным каналам, а также - увеличения электрических размеров антенной системы («виртуальной» антенной решетки).
В первом случае исследуемая модель облучалась электромагнитной волной, фронт которой располагался со стороны лица модели человека и вектор Пойнтинга был параллелен продольной оси симметрии корпуса телефона. Цель исследований заключалась в изучении возможности аппроксимировать фазовую структуру электромагнитного поля, измеренную в точках на окружности с радиусом RAR, далее в точках, расположенных на окружностях с радиусами R}-RA в исследуемых диапазонах частот с использованием как классического метода формирования «виртуальных» антенных решеток с помощью вспомогательных элементов, так и модифицированного метода, описанного в предыдущем подразделе работы.
Исследование конструкций антенн, основанных на возбуждении плоской линзой Люнеберга системы ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди
Топология антенн Вивальди, входящих в состав антенны, изображенной выше, располагалась на подложках из материала Rogers RO4003 (є = 3.55) размерами 150x172x0.813 мм. Антенны Вивальди имели экспоненциальный характер раскрыва щели, с минимальной шириной раскрыва равной 17 мм, максимальной -160 мм, длина раскрыва составляла 150 мм.
На рис. 4.13 представлены зависимости коэффициента усиления для ДОС с расположенными по краю антеннами Вивальди и для случая ДОС с усеченными конусами со сплошными образующими.
Зависимость коэффициента усиления от частоты для разрабатываемой антенны с учетом наличия элементов Вивальди (сплошная линия) и со сплошными образующими усеченных конусов (пунктирная линия)
Как видно из сравнения зависимостей коэффициентов усиления антенны с биконусами, а также антенн с ТЕМ-рупорами и элементами Вивальди (рис. 4.10 и рис. 4.13), использование элементов Вивальди позволяет устранить провал в зависимости КУ на частоте 1 ГГц, характерный как для антенны со сплошными образующими, так и с образующими в виде ТЕМ-рупоров. Однако в целом, в пределах исследуемого диапазона, использование ТЕМ-рупоров предпочтительнее, так как при их использовании зависимость коэффициента усиления получается более равномерной в диапазоне от 1 до 3 ГГц.
Если сравнить зависимости диаграммы направленности антенны с бико-нусом (рис. 4.8), антенны с ТЕМ-рупорами (рис. 4.11) и антенны с элементами Вивальди (рис.4. 14), то нетрудно заметить, что по критерию минимума заднего лепестка на частоте 1 ГГц предпочтительнее использовать элементы Вивальди. Однако далее, с ростом частоты, эффективность подавления заднего лепестка антенны с данными элементами падает. Из этого можно сделать вывод, что для подавления заднего лепестка в ДН, а также для расширения рабочей полосы частот по критерию равномерности коэффициента усиления, предпочтительным является использование в качестве образующих ТЕМ-рупоров.
В качестве конструкции линзы, предназначенной для макетирования и дальнейшего экспериментального исследования, из ранее описанных структур была выбрана ДОС, состоящая из концентрических металлических колец, расположенная между двумя усеченными конусами со сплошными образующими (рис. 4.1). Выбор был обусловлен не только относительной технологической простотой реализации (в сравнении с другими рассмотренными вариантами антенн), но и с учетом того, что характер зависимостей основных параметров данного типа антенны схож с характером зависимостей для других типов разработанных антенн (с диэлектрическими кольцами, с системой перфораций). Поэтому, получив натурные результаты в ходе исследований антенны, изображенной на рис. 4.1, схожие с полученными в ходе численного моделирования, можно будет с определенной долей уверенности говорить об адекватности построенных моделей и проведенных численных экспериментах [96].
Для простоты изготовления макета и удобства последующих исследований решено в два раза уменьшить все геометрические размеры антенны. При этом, как следует из принципа электродинамического подобия, диапазон рабочих частот изменился также в два раза: с КЗ ГГц до 2 -6 ГГц, однако, при этом все параметры антенны остались прежними, что было подтверждено последующим численным экспериментом.
Для запитки антенны решено использовать жесткий коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Диаметр внешнего проводника составлял 3.57 мм, внутреннего - 1 мм. Для обеспечения зазора между основаниями ДОС в 6 мм были использованы 4 стойки из полистирола, расположенные по внешнему радиусу линзы. На рис. 4.15 изображена модель, построенная с учетом наличия коаксиального кабеля, диэлектрических стоек, уменьшенная в два раза по сравнению с моделью, показанной на рис. 4.1. —-И
Из рисунка видно, что натурные данные и данные расчетов очень схожи как по характеру зависимостей, так и по своему значению. Расхождения обусловлены в том числе и тем, что измерения проводились не в безэховой камере. Также были получены натурные данные зависимости коэффициента усиления и диаграммы направленности в азимутальной плоскости в исследуемом диапазоне частот. ДН были сняты с шагом в 15 градусов по азимуту. Зависимости КУ приведены на рис. 4.18. Пунктирной линией изображена теоретическая зависимость, сплошной - экспериментальная.
Стоит отметить, что столь большой шаг по азимуту при обмере не позволяет установить положение и величину всех максимумов и минимумов в диаграмме направленности антенны. Однако сравнивая характер полученных зависимостей ДН полученных путем моделирования и натурных измерений макета, положение максимумов и минимумов на них, а также наличие симметрии относительно направления максимального излучения, можно сделать вывод о высокой степени соответствия разработанной модели и ее технической реализации в виде макета.
Таким образом, на основе результатов, полученных как с помощью компьютерного моделирования, так и с помощью экспериментальных исследований, можно сделать вывод, о перспективности использования разработанных антенных систем в аппаратуре радиомониторинга и радиопеленгации с целью повышения чувствительности данных систем в сверхширокой полосе частот.
Разработаны и исследованы различные варианты построения диаграммо-образующих схем на основе модификаций плоской линзы Люнеберга для построения антенных систем с многолучевой диаграммой направленности или возможностью коммутационного сканирования в азимутальной плоскости. Получены основные зависимости, отражающие как направленные свойства разработанных антенн, так и характер их согласования с подводящим трактом.
Рассмотрены возможные пути снижения уровня заднего лепестка в диаграмме направленности разработанной антенны с полистироловыми кольцами путем использования вместо сплошных образующих биконусов системы ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди, коммутируемых в зависимости от требуемого азимутального направления приема или излучения с помощью p-i-n диодов. Показано, что использование ТЕМ-рупоров позволяет снизить на 2-3 дБ уровень заднего лепестка и повысить усиление антенны в нижней части рабочего диапазона.
Проведено макетирование антенны с ДОС из металлических концентрических колец в масштабе 1:2 относительно первичной разработанной модели. В результате экспериментальных исследований выяснено, что получаемые результаты в ходе численного моделирования являются адекватными получаемым при натурных исследованиях. Следовательно, разработанные модели также являются адекватными с точки зрения принципов и законов электродинамики и теории антенн.
