Введение к работе
Актуальность темы исследований. В развитии современных малогабаритных систем радиомониторинга проявляется устойчивая тенденция к расширению частотного диапазона при уменьшении их размеров и веса.
В настоящее время расширение рабочего диапазона частот
малогабаритных систем радиомониторинга достигается путем смены блоков
антенной системы. С этим связаны значительные трудности их
использования. При этом для обнаружения источников радиоизлучения
(ИРИ) с низким энергетическим потенциалом или в целях увеличения
дальности обнаружения необходимо, чтобы антенная система имела высокий
коэффициент усиления. Поэтому изыскиваются возможности создания
широкополосной антенной системы с высоким коэффициентом усиления и
малыми габаритными размерами и весом. В частности, такие возможности
открываются с появлением антенн в виде печатных плат с использованием
современных материалов. Использование таких антенн для создания
антенных решеток (АР) позволяет рассматривать их как наиболее
подходящие для построения современных антенных систем средств
радиомониторинга. Применение антенных решеток дает дополнительные
возможности, такие как формирование адаптивной диаграммы
направленности (ДН), электронное сканирование луча.
Несмотря на значительное количество публикаций по данной тематике многие вопросы использования таких антенн остаются неисследованными, например, потенциальные возможности расширения полосы рабочих частот антенной системы при заданной ее конструкции и сохранении основных характеристик направленности. В частности, появление дифракционных максимумов высших порядков и изменение формы ДН антенных решеток в широком диапазоне частот может привести к неоднозначности определения местоположения ИРИ. Таким образом, многие практические вопросы создания широкополосных антенных систем требуют проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Дополнительные трудности при обосновании выбора конструкции антенной системы малогабаритных средств радиомониторинга возникают из-за необходимости учета влияния случайных искажений электромагнитного поля в месте приема, связанных с условиями распространения радиоволн. Отражение радиоволн от земной поверхности и местных предметов приводит к тому, что к приемной антенной системе приходит множество сигналов в виде суммы регулярной и случайной составляющих, что приводит к необходимости использования статистических методов исследования характеристик антенной системы и пеленгатора на ее основе.
Таким образом, актуальными вопросами в плане выполнения темы диссертации являются:
определение потенциальных возможностей расширения полосы рабочих частот антенной системы средств радиомониторинга;
проведение анализа статистических характеристик антенной системы и пеленгаторов, вьшолненных на ее основе, при работе на реальных трассах распространения радиоволн для обоснованности выбора антенной системы;
- разработка практических рекомендаций по построению
широкополосных антенных систем радиомониторинга.
Цель диссертационной работы - создание и разработка
широкополосной антенной системы малогабаритных средств
радиомониторинга.
Для достижения поставленной цели необходимо:
1) провести теоретическое и экспериментальное исследование
характеристик антенных систем малогабаритных средств радиомониторинга,
в частности:
оценить максимальную ширину полосы частот антенных систем малогабаритных пеленгаторов при заданных ограничениях на габаритные размеры и вес;
исследовать возможность сохранения коэффициента направленного действия (КНД) антенной системы в широкой полосе рабочих частот;
исследовать возможности расширения рабочего диапазона частот антенных решеток, при отсутствии дифракционных максимумов высших порядков;
2) провести исследование влияния условий распространения радиоволн на
наземных трассах на характеристики пеленгаторов с различными антенными
системами, в частности:
выбрать из существующих или создать адекватную ситуации модель подстилающей поверхности наземной трассы;
использовать модель для определения ожидаемых ошибок пеленгования с различными типами антенных систем;
3) провести экспериментальные исследования характеристик антенн и
пеленгаторов на их основе, в частности:
- исследовать характеристики широкополосных антенных систем и
пеленгаторов на трассах различной протяженности.
Методы исследований. При решении задач, поставленных в
диссертации, использовались теоретические и экспериментальные методы
анализа и численное моделирование характеристик антенн, пеленгаторов.
Состоятельность полученных результатов подтверждена
экспериментальными данными.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- получено, что расположение антенн Вивальди в качестве элементов
антенной решетки в узлах треугольной сетки позволяет расширить рабочий
диапазон частот решетки в сторону низкочастотной области за счет
увеличения ширины применяемых антенн Вивальди и таким образом,
5 увеличить ее максимальный коэффициент перекрытия по частоте в два раза по сравнению с расположением элементов антенной решетки в узлах прямоугольной сетки, при отсутствии побочных дифракционных максимумов высших порядков;
обоснован размер шага расположения элементов Вивальди в антенной решетке по треугольной сетке, позволяющий получить максимум коэффициента направленного действия при сохранении максимальной широкополосности;
показано, что применение антенных решеток с элементами Вивальди в качестве приемной широкополосной антенной системы малогабаритных амплитудных пеленгаторов, работающих по сканирующим источникам радиоизлучения, позволяет снизить ошибку пеленгования за счет влияния условий распространения радиоволн над земной поверхностью на 20 - 30 % по сравнению с амплитудными пеленгаторами, использующими в качестве приемных одиночные рупорные антенны с теми же размерами апертуры.;
экспериментально установлено, что использование антенных решеток с антеннами Вивальди, расположенными по треугольной сетке, в фазовых пеленгаторах позволяет получить линейную разностно-фазовую характеристику в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки;
- разработаны практические рекомендации по построению
широкополосной антенной системы малогабаритных средств
радиомониторинга.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что предложенная в ней широкополосная антенная система малогабаритного пеленгатора обладает рядом преимуществ по сравнению с существующими и может служить основой построения современных систем радиомониторинга.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Расположение антенн Вивальди в качестве элементов антенной
решетки в узлах треугольной сетки позволяет расширить рабочий диапазон
частот решетки в сторону низкочастотной области за счет увеличения
ширины применяемых антенн Вивальди и таким образом, увеличить ее
максимальный коэффициент перекрытия по частоте в два раза по сравнению
с расположением элементов антенной решетки в узлах прямоугольной сетки
при отсутствии побочных дифракционных максимумов высших порядков.
-
Максимум коэффициента направленного действия антенных решеток с антеннами Вивальди при отсутствии побочных дифракционных максимумов высшего порядка достигается при их расположении по треугольной сетке с шагом 1,2 длины волны на верхней частоте рабочего диапазона.
-
Применение антенных решеток с элементами Вивальди в качестве приемной широкополосной антенной системы малогабаритных амплитудных пеленгаторов, работающих по сканирующим источникам радиоизлучения, позволяет снизить ошибку пеленгования за счет влияния условий
распространения радиоволн над земной поверхностью на 20 - 30 % по сравнению с амплитудными пеленгаторами, использующими в качестве приемных одиночные рупорные антенны с теми же размерами апертуры.
4. Использование антенных решеток с антеннами Вивальди, расположенными по треугольной сетке, в фазовых пеленгаторах позволяет получить линейную разностно-фазовую характеристику в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки.
Достоверность научных и практических результатов. Результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, подтверждаются результатами моделирования и проведенными экспериментальными измерениями, а также сопоставлением с результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на:
научно-технических конференциях ОАО ЦКБА «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем» (Омск, 2008,2010 г.);
XV и XVI международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж 2009, 2010 г.);
конференции Сибирского Федерального Университета «Современные проблемы развития науки, техники и образования» (Красноярск, 2009 г.).
Внедрение результатов работы.
В рамках выполнения диссертационной работы разработана широкополосная антенная система, которая была использована в рамках составной части опытно-конструкторской разработки «Разработка антенной системы для носимого малогабаритного прибора нового поколения» (шифр-«Радиотехника-Вектор-ТУСУР-2»)
Материалы диссертационной работы использованы при выполнении научно- исследовательской работы «Исследования по созданию перспективных пассивных космических систем мониторинга наземных источников радиоизлучения» (ФЦП «Кадры» государственный контракт № 02.740.11.0183 от 25 июня 2009 г.), а также в учебном процессе подготовки инженеров по специальности 210304.65 - «Радиоэлектронные системы».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них - 4 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых изданиях, определенных ВАК, 7 работ - в сборниках трудов и материалов научно-технических конференций. Получены два авторских свидетельства на изобретения по антенной тематике.
Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся с участием сотрудников научно-исследовательского института радиотехнических систем (НИИ РТС) и кафедры РТС ТУСУР при консультациях сотрудников кафедры СВЧ и КР ТУСУР. Основные
7 исследования, результаты которых приведены в диссертации, были выполнены по инициативе и лично автором. Личный вклад автора включает выбор методов исследования, проведение расчетов, анализ результатов, подготовку макетов и участие в проведении экспериментальных исследований. Им лично разработан и выполнен расчет различных антенных систем и моделирование работы пеленгаторов на их основе.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 113 страницах. Диссертация содержит 107 рисунков и 14 таблиц.
