Введение к работе
Диссертация посвящена разработке микрополосковых антенных решеток со сложными и управляемыми характеристиками направленности для применения в системах мобильной связи Ливана, а также развитию и усовершенствованию методики проектирования и оптимизации параметров таких антенных систем на основе применения электродинамического анализа и синтеза в сочетании с экспериментами.
Актуальность темы
Примерно с 2005 года в Ливане происходит широкое распространение и интенсивное развитие новых поколений телекоммуникационных систем, персональных систем связи и различных беспроводных локальных сетей связи. Возрастающее число радиосредств увеличивает электромагнитное заполнение и загрязнение эфира и приводит к существенному увеличению числа нежелательных помех от близко расположенных радиоисточников, существенно снижая производительность систем связи. В связи с этим резко возрастает потребность в новых конструкциях антенн и методиках проектирования, способных обеспечить повышение помехоустойчивости и экологичности радиосистем.
Одним из наиболее актуальных и продуктивных решений является применение в телекоммуникационных системах усложненных излучающих систем в виде антенных решеток. Антенны этого типа позволяют расширить функциональные возможности радиосистем, и придать новые качества процессам управления и обработки информации. Происходит как улучшение характеристик радиосистемы в целом, так и уменьшение электромагнитного загрязнения среды. О важности и актуальности подобных технических решений свидетельствует большое число опубликованных работ, в том числе обзоров и монографий. Однако развиваемые в этих работах методы анализа и синтеза антенн в подавляющем большинстве носят теоретический характер, и не направлены напрямую на разработку конкретных типов антенных устройств с заданными характеристиками.
Применительно к сложной современной обстановке в Ливане чрезвычайно актуальной становится решаемая в диссертации задача всесторонней оптимизации микрополосковой антенной системы, включая как оптимизацию свойств отдельного элемента решетки, так и построение наилучшей геометрии самой решетки, безотносительно к типу ее элементов. Наиболее существенными критериями настоятельно необходимой оптимизации оказываются: 1) реализация требуемой формы характеристики направленности, 2) реализация возможности управления этой формой, и 3) сохранение качества диаграммы направленности и приемлемого уровня согласования входов в возможно более широкой полосе рабочих частот. Таким образом, данная диссертационная работа посвящена решению весьма актуальной задачи оптимизации и расширения функциональных возможностей конкретных антенных решеток для базовых станций телекоммуникационных систем Ливана.
Целью диссертационной работы является
Разработка конкретных микрополосковых антенных решеток и развитие методики их всесторонней интерактивной оптимизации на основе: 1) достаточно строгого электродинамического анализа излучающей системы; 2) вспомогательных измерений; 3) подходящего теоретического синтеза характеристики направленности (то есть, отыскания физически реализуемого распределения возбуждения источника, воспроизводящего требуемую диаграмму направленности с допустимой ошибкой); 4) интерактивного поиска наилучших технических решений для выбранной конструкции антенной системы по ряду критериев (по диапазонности и возможностям управления формой диаграммы направленности, по расширению допустимой области сканирования, по качеству согласования входов и др.). Именно построение такого сочетания методов и приемов для создания конкретных антенных устройств в системах мобильной связи составляет цель исследований автора.
Объекты исследований
В первую очередь было необходимо подобрать тип излучающих элементов для конкретных разрабатываемых антенных решеток. В качестве излучающих элементов антенной решетки для связных систем Ливана наиболее перспективны микрополосковые излучатели (прототипом подобных излучателей являются бортовые маловыступающие антенны в виде прямоугольных и треугольных металлических накладок, разработанные в 50-х - 60-х годах прошлого века в ОКБ МЭИ и на кафедре Антенных устройств МЭИ под руководством проф. Маркова Г.Т. и проф. Попереченко Б.А.), способствующие миниатюризации аппаратуры, повышению уровня интеграции электронных схем и обеспечивающие повышенную технологичность на стадии производства. В конструкциях реальных решеток управление комплексными весовыми коэффициентами возбуждения таких излучателей легко реализуется с применением технологии печатных СВЧ схем. Особо следует подчеркнуть важность оптимизации излучающего элемента. При правильном проведении оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией.
Наиболее простыми объектами являются линейные антенные решетки. В диссертационной работе разработаны и исследованы две решетки.
Первая решетка из 4-х идентичных микрополосковых элементов предназначена для работы на частотах 890-960 МГц (полоса GSM). Вторая решетка из 8-ми идентичных микрополосковых элементов предназначена для работы на частотах ~2.45 ГГц.
Более сложными являются конформные антенные решетки на криволинейной поверхности. В диссертационной работе разработаны и исследованы две цилиндрические микрополосковые решетки, предназначенные для формирования управляемых лучей в расширенном секторе обзора. Первая антенна состоит из 8 элементов, а вторая антенна состоит из 16 элементов. В конформных решетках излучающие элементы ориентированы в различных направлениях и поле излучения не представимо в виде произведения характеристики элемента на множитель решетки. Это приводит к существенному усложнению математической модели, описывающей решетку.
Для первой антенны производятся численное моделирование и экспериментальные исследования. Для второй антенны выполнены только экспериментальные исследования.
Наконец, в диссертационной работе по технологии печатных цепей разработаны конструкции двух плоских антенных решеток (одна с направленной диаграммой, а вторая с секторной диаграммой), предназначенных для организации многоточечной связи в 3-см диапазоне волн.
Оптимальный выбор параметров каждой антенной решетки предполагает приближение в определенном смысле ее реализованной диаграммы направленности к требуемой. Из множества характеристик антенной решетки при оптимизации наиболее значимы следующие параметры: 1) тип элементов, 2) число элементов, 3) позиции и ориентации элементов, 4) амплитуды и фазы возбуждения входов решетки.
Методы исследования Характеристики направленности микрополосковых излучающих элементов определяются численным моделированием, либо экспериментально. Ряд параметров элементов (резонансные частоты, частотное поведение входного сопротивления и др.) находятся с помощью вычислительной программы электродинамического анализа методом конечных разностей во временной области (FDTD). Входные импедансы излучающих элементов согласуются с сопротивлениями питающих линий стандартными методами теории цепей СВЧ.
Научная новизна В диссертационной работе представлен новый подход к комплексной разработке многоэлементных микрополосковых антенных систем, проведены теоретические исследования (включая численную оптимизацию на основе теории минимакса), выполнены экспериментальные исследования различных допустимых конфигураций антенных решеток. Предложена новая комплексная методика разработки передающих связных антенных решеток, включающая в себя: 1) сочетание теоретических методов анализа и синтеза линейных, плоских и конформных антенных решеток с дополнительными экспериментальными исследованиями; 2) возможность видоизменения формы характеристики направленности, и отклонения ее лепестков на нужного корреспондента за счет изменения только фаз возбуждения элементов; 3) учет и компенсацию эффекта взаимного влияния между элементами антенных решеток, оказывающего существенное влияние на предельно достижимые оптимальные параметры антенной системы.
Данная методика практически реализована и экспериментально исследована при разработке ряда конструкций конкретных микрополосковых антенных систем, предназначенных для применения на базовых станциях систем мобильной связи Ливана. Особо следует подчеркнуть новизну и важность предложенной оптимизации отдельного излучающего элемента. При предлагаемых в диссертации методах оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией. Серьезное значение при управлении диаграммами направленности антенных решеток имеет эффект взаимного влияния между элементами.
Основные положения, представленные к защите
-
Электродинамический анализ микрополоскового излучающего элемента методом конечных разностей во временной области, и численный метод оптимизации излучающего элемента на основе минимаксного критерия.
-
Комплексная оптимизация нескольких видов передающих связных антенных решеток (линейная решетка, цилиндрическая решетка, и плоская решетка) с использованием специального программного обеспечения для синтеза антенных решеток (SARA).
-
Учет и компенсация эффекта взаимного влияния элементов решетки.
-
Расчеты, эксперименты, и результаты сопоставления расчетных и экспериментальных результатов.
-
Выводы и рекомендации по итогам исследований.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов обеспечены применением только адекватно построенных и общепризнанных математических и физических моделей на основе тщательного теоретического анализа, и разумным выбором сочетания этих моделей в предложенной методике разработки антенных систем. Достоверность теоретических результатов окончательно установлена и подтверждена многочисленными экспериментами и сравнением с данными других опубликованных исследований.
Практическая значимость и внедрение В процессе работы создано специальное программное обеспечение SARA для синтеза антенных решеток (SARA = Synthesis of Array Antenna). В основу численного метода оптимизации положена теория минимакса, согласно которой глобально минимизируется максимальная разность между реализуемой диаграммой направленности и ее наперед заданным шаблоном. Пользователь предварительно задает число и расположение элементов, а также диаграмму направленности элемента решетки. В процессе оптимизации определяются требуемые амплитуды и фазы возбуждающего сигнала для каждого элемента решетки. Опционально принимаются во внимание, или не принимаются, взаимные связи между элементами. Программное обеспечение позволяет осуществлять синтез антенных решеток различной геометрии, как-то: линейных, плоских и конформных.
В процессе научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности автора диссертации созданы конкретные образцы трех типов микрополосковых антенных решеток для базовых станций мобильной связи Ливана. В результате оптимизации, проведенной на основе положений данной диссертации, технические характеристики этих решеток близки к предельно достижимым. Конструкции решеток успешно прошли этап испытаний, и приняты к реализации в Ливане.
Апробация Результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры Антенных устройств МЭИ в 2008 - 2009 г.г., на семинарах в Ливанском университете г. Сайда в 2007 - 2009 г.г., а также докладывались на следующих конференциях:
-
Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова, Россия, Москва (МЭИ), 21-23 октября 2008 г.
-
19-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (CriMiСo’2009), Украина, г. Севастополь, 14-18 сентября 2009 г.
Публикации По результатам работы опубликовано 2 статьи в журнале «Антенны», рекомендованном ВАК РФ, и 2 доклада в трудах конференций.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 62 наименований. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, включая 114 рисунков, 17 таблиц и 2 приложения.
