Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день во многих системах пеленгования источников излучения, комплексах радиомониторинга и радионаблюдения широкая полоса их рабочих частот и прием сигналов с любой линейной поляризацией обеспечиваются за счет применения спиральных антенн. Среди прочих антенн спиральные антенны имеют больший потенциал для расширения полосы частот. Более современной и технологичной оказывается комбинация различных типов спиралей.
Спиральные антенны, в отличие от большинства современных антенн другого типа, являются наименее изученными. Теоретические сведения о них ограничиваются свойствами регулярных «бесконечных» Архимедовой и логарифмической спиралей. Наиболее известными являются работы В. Рамзея и О.А Юрцева, А.В. Рунова, А.Н. Казарина, которые содержат некоторые пояснения по теории бесконечных регулярных спиралей. В то же время известно, что спиральные антенны обладают наибольшей широкополосностью и могут принимать волны произвольной поляризации. Поэтому в диссертационной работе ставится задача изучения основных закономерностей излучения электромагнитных волн конечными комбинированными спиральными антеннами с учетом влияния их конструктивных и электродинамических параметров (экрана, поглотителей, нагрузок, формы спиралей, тела вращения, на которое намотана спираль). Задача решается численно путем электродинамического моделирования. Проводится исследование и сравнительный анализ характеристик антенн, таких как широкополосность и сектор углов одновременного обзора. В работе показывается, что на основе выявленных закономерностей возможно построение приемных спиральных антенн эллиптической поляризации, работающих в диапазоне частот от 0,8 до 25 ГГц (более 5 октав), и имеющих в этом диапазоне сектор углов одновременного обзора не менее ±57.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является изучение возможности получения расширенного частотного диапазона спиральных антенн с широким сектором углов одновременного обзора путем исследования моделей модифицированных спиральных антенн, анализа конечных спиральных структур и построения этих антенн на поверхностях тел вращения, оптимизации их заполнения.
Объектом исследования являются модифицированные спиральные антенны, характеристики их дальних и ближних полей.
Предмет диссертационной работы
В диссертационной работе проводится исследование конечных комбинированных спиралей, осуществляется анализ влияния конструктивных и электродинамических параметров на характеристики излучения, ведется разработка конструкций сверхширокополосных спиральных антенн, которые могут быть применены на практике.
Задачами исследования в диссертационной работе являются:
- исследование конечных спиральных структур;
- разработка конструкций спиральных антенн;
-выявление основных закономерностей излучения конечных комбинированных спиралей;
- моделирование антенн, анализ полученных характеристик моделей;
- изготовление опытного образца антенны и сравнение характеристик, полученных при моделировании, с экспериментально полученными данными.
Научная новизна
1. На основе изучения модифицированных спиральных антенн показано, что комбинирование различных типов спиралей позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны до 5…6 октав при секторе углов одновременного обзора, равном ±57. Расширения сектора углов обзора и диапазона частот антенны можно добиться, выбирая угол конусности антенны в пределах 12-15, и угол намотки спирали на теле вращения, равный 2, в антенне на усеченном конусе - 10. Разработаны рекомендации по выбору параметров конструкции для достижения требуемого диапазона частот.
2. Произведен сравнительный анализ характеристик конечных комбинированных спиральных антенн и спиральных структур, показанных в литературе. Выявлены различия характеристик бесконечных структур, описанных ранее в литературе и конечных спиралей.
3. Разработана и изучена поглощающая структура для модифицированой спиральной антенны, которая также влияет на диапазонность антенны. Обнаружено изменение характеристик спиральных антенн при изменении параметров поглощающей структуры: аксиального отношения от -15 дБ до -0,9 дБ и ширины сектора углов одновременного обзора от ±57 до ±83 на частоте 800 МГц.
Практическая значимость
1. При расчетах конечных спиралей могут быть использованы установленные закономерности их излучения: подтверждено наличие дисперсии в конечной спирали, установлено, что периметр резонансного витка в конечной антенне не соответствует теоретически рассчитанному периметру резонансного витка бесконечной структуры, рекомендованы углы намотки спиралей и углы конусности антенны.
2. В работе даны рекомендации по выбору параметров поглощающей структуры антенны. Найденные зависимости коэффициента отражения от частоты для различных поглощающих структур могут быть использованы при проектировании сверхширокополосных модифицированных спиральных антенн.
Результаты диссертационной работы использованы на предприятии ФГУП «КНИРТИ» в рамках научно-исследовательской работы «Запарка» при разработке конструкции сверхширокополосной спиральной антенны.
Материалы работы использованы в проекте «Создание высокотехнологичного производства по изготовлению информационно-телекоммуникационных комплексов спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS/Galileo», выполняемого по постановлению правительства РФ №218.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применяется метод электродинамического моделирования, лежащий в основе пакета HFSS v.10, и метод моментов, являющийся основным в пакете FEKO v. 5.2.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов моделирования антенн подтверждается совпадением характеристик смоделированных антенн в пакетах САПР СВЧ HFSS v.10 и FEKO v. 5.2.
Достоверность расчетов также подтверждается проведенными измерениями опытного образца антенны и сравнением измеренных характеристик с данными, полученными при математическом моделировании.
Апробация диссертационной работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 международных (международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Дивноморское, 2011, международная научно-техническая и научно-методическая интернет-конференция в режиме offline «Проблемы современной системотехники», Таганрог, 2009) и 3 всероссийских конференциях, а также конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры Антенн и Радиопередающих устройств Технологического института Южного Федерального университета 2008-2011 гг.
Публикации
По материалам настоящей диссертационной работы опубликовано 6 статей, из них три статьи в журналах и сборниках, утвержденных ВАК (одна статья в журнале «Антенны», одна – в журнале «Известия ЮФУ. Технические науки», одна – в журнале «Инженерный вестник Дона»).
Положения, выносимые на защиту:
- электродинамические модели комбинированных спиральных антенн, обеспечивающих работу в диапазоне частот 700МГц-25ГГц в секторе углов одновременного обзора ±57;
установленные закономерности излучения конечных спиральных антенн с различными углами намотки спирали на телах вращения разной формы;
основные закономерности влияния экрана, нагрузок, а также количества и электродинамических параметров слоев поглощающей структуры, на характеристики антенны;
количественные и качественные оценки достижимых характеристик спиральных антенн в смысле их широкополосности;
разработанные конструкции спиральных антенн, отвечающие заданным требованиям по диапазону рабочих частот и сектору углов одновременного обзора;
- результаты измерений характеристик опытного образца спиральной антенны.
Личный вклад автора. Автору принадлежит: анализ спиральных антенн и их моделей; исследование комбинированных спиральных антенн, количественные и качественные оценки достижимых характеристик спиральных антенн, полученные исходя из результатов работы; формулировка выводов и положений, выносимых на защиту.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре раздела основной работы и заключение. Работа содержит 140 с., в том числе 128 с. основного текста, 128 рисунков, список литературы из 51 наименования использованных источников на 6 с.
