Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам создания стратосферных и предкосмических зондов. Важной задачей является создание, размещаемых на борту стратосферных зондов, ретрансляторов связи обеспечивающих требуемый уровень мощности отраженного сигнала в заданном секторе углов на основе самофазирующихся антенных решеток.
Актуальными являются исследования, результаты которых позволяют физически реализовать практические конструкции широкоугольных одномодовых ретрансляторов, по сравнению с известной методикой разработки широкоугольных многомодовых ретрансляторов, трудно реализуемых физически.
Предложенные в диссертационной работе методики построения и исследования математических моделей излучения и прохождения электромагнитных волн ретрансляторами связи, построенные математические модели, результаты исследования математических моделей позволяют разрабатывать комплексы с модуляцией переизлученного сигнала для наземных объектов, движущихся стратосферных предкосмических зондов и других летательных аппаратов.
Целью диссертационной работы является построение и исследование математических моделей излучения и прохождения электромагнитных волн, без учета высших типов волн, в ретрансляторах связи и разработка конструкции широкоугольного ретранслятора в виде самофазирующейся приемопередающей антенной решетки на основе результатов исследования математических моделей.
Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:
построение дискретной математической модели излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов; исследование дискретной математической модели излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов;
построение математической модели, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн скошенной волноводной антенной; исследование математической модели, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн скошенной волноводной антенной;
3) построение математической модели, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов; и исследование математической модели, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов;
4) построение математической модели, на основе аналитических методов,
рассеяния электромагнитных волн самофазирующейся приемопередающей
антенной решеткой из скошенных волноводов; исследование математической
модели, на основе аналитических методов, рассеяния электромагнитных волн
самофазирующейся приемопередающей антенной решеткой из скошенных
волноводов;
5) разработка конструкции самофазирующейся приемопередающей антенной
решетки на основе полученных результатов математического моделирования.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, предложенными способами их решения, полученными результатами решения задач и заключается в следующем:
построена новая дискретная математическая модель излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов; для решения поставленной задачи математического моделирования излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов применен адаптивный попеременно-треугольный метод скорейшего спуска; при построении дискретной математической модели использована методика, учитывающая частичную заполненность расчетных ячеек для повышения реальной точности решения в случае сложной геометрии исследуемой области, которое повлечет улучшение «гладкости» сеточного решения; проведено исследование математической модели; получены результаты исследования в виде пространственно-временных топограмм распределения магнитного поля;
построена математическая модель, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн скошенной волноводной антенной; проведено исследование математической модели, получены результаты в виде диаграмм направленности; полученные результаты позволяют разрабатывать требуемые конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток;
построена математическая модель, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов; проведено исследование математической модели; получены новые результаты в виде диаграмм направленности линейной антенной решетки из скошенных волноводов; полученные результаты позволяют разрабатывать требуемые конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток;
построена математическая модель, на основе аналитических методов, рассеяния электромагнитных волн самофазирующейся приемопередающей антенной решеткой из скошенных волноводов, проведено исследование математической модели, получены результаты в виде диаграмм обратного рассеяния самофазирующейся приемопередающей антенной решетки; полученные результаты позволяют разрабатывать требуемые конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток;
4) создан программный комплекс в среде программирования Visual Studio 2008 с
использованием языка программирования C++, реализующий указанные алгоритмы
численного решения поставленной задачи излучения электромагнитных волн
линейной антенной решеткой из скошенных волноводов, на основе результатов
расчетов которого разработаны конструкции самофазирующихся
приемопередающих антенных решеток.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1) Построена новая дискретная математическая модель излучения
электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов. Для
решения поставленной задачи математического моделирования излучения
электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов
применен адаптивный попеременно-треугольный метод скорейшего спуска. При
построении дискретной математической модели использована методика,
учитывающая частичную заполненность расчетных ячеек для повышения
реальной точности решения в случае сложной геометрии исследуемой области,
которое повлечет улучшение «гладкости» сеточного решения. Проведено
исследование математической модели. Получены результаты в виде
пространственно-временных топограмм распределения магнитного поля. Полученные
5 результаты исследования позволяют разрабатывать конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток.
Построена математическая модель, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн без учета высших типов волн скошенной волноводной антенной. Проведено исследование математической модели. Приведены результаты в виде диаграмм направленности антенн из скошенного волновода. Полученные результаты позволяют разрабатывать требуемые конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток, обеспечивающие требуемый уровень мощности отраженного сигнала ретрансляторами связи в заданном секторе углов.
Построена математическая модель, на основе аналитических методов, излучения электромагнитных волн без учета высших типов волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов. Проведено исследование математической модели. Приведены результаты в виде диаграмм направленности линейной антенной решетки из скошенных волноводов. Полученные результаты позволяют разрабатывать требуемые конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток.
4) Построена математическая модель, на основе аналитических методов, рассеяния
электромагнитных волн без учета высших типов волн самофазирующейся приемопередающей антенной решеткой из N- пар скошенных волноводов. Проведено исследование математической модели. Приведены результаты исследования в виде диаграмм направленности и диаграмм обратного рассеяния. Полученные результаты позволяют разрабатывать требуемые конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток, обеспечивающие требуемый уровень мощности отраженного сигнала ретрансляторами связи в заданном секторе углов.
5) Создан программный комплекс, реализующий указанные алгоритмы численного
решения поставленной задачи излучения электромагнитных волн линейной антенной решеткой из скошенных волноводов, на основе результатов расчетов которого разработаны конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток.
6) Разработана конструкция широкоугольного ретранслятора связи, защищенного
патентом на изобретение, в виде самофазирующейся приемопередающей антенной
решетки из скошенных волноводов в разные стороны. Разработаны дополнительно
конструкции самофазирующихся приемопередающих антенных решеток с
возможностью модуляции сигнала для неподвижных и движущихся объектов,
защищенные заявками на изобретения и опубликованными статьями.
Обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью поставленных задач, методов их исследования и решения, тестированием разработанных программ математического моделирования излучения и рассеяния электромагнитных волн антеннами и антенными решетками из скошенных волноводов и совпадением результатов в частных случаях с известными результатами других авторов. Достоверность полученных в работе результатов контролировалась их тестированием и физичностью результатов, и подтверждена совпадением численных результатов, полученных в результате решения задач двумя методами, с экспериментальными данными.
Научная и практическая значимость работы. Предложенные в диссертационной работе методики построения и исследования математических моделей излучения позволяют создавать ретрансляторы связи для радиотехнических систем стратосферных зондов, беспилотных летательных аппаратов и других комплексов, и внедрены при выполнении НИР.
Полученные теоретические и практические результаты и положения диссертационной работы внедрены в двадцать две разработанные практические конструкции ретрансляторов связи на базе антенных решеток, защищенные патентом на изобретение и заявками на изобретения.
Внедрение результатов работы. Основные научные и практические результаты работы получены в процессе выполнения НИР. Результаты диссертационной работы внедрены в Институте морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения РАН, в ЗАО «БЕТА ИР», в процессе выполнения НИР в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге, в филиале ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» в г. Кропоткине.
Апробация диссертационной работы. По мере получения основные результаты диссертации докладывались на научном семинаре кафедры «Высшей математики» Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге.
Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- Международной научной конференции, Северо-Кавказский государственный технический
университет, г.Ставрополь, 2008 г.,
- Межрегиональной научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых
Южного федерального университета, ЮРГТУ, Новочеркасск, 2008,
Международной научной конференции «Излучение и рассеянии электромагнитных волн», Дивноморское - Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2009г, Международная научная конференция АСТИНТЕХ-2010, г. Астрахань, 2010г.
Всероссийских и внутривузовских научных конференциях г. Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2008, 2010,
Межвузовские научные конференции, г. Кропоткин, филиал ГОУ ВПО «Московский Государственный Открытый Университет», 2007, 2008, 2009, 2010гг.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано: 7 статей в журналах, включенных в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов известий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук» (Известия ЮФУ. Технические науки); 11 научных статей во всероссийских и межрегиональных сборниках, сборниках международных конференций; подано 28 заявок на изобретения; получено 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 разделов, заключения, списка литературы, приложений. Она содержит 182 страницы машинописного текста, 62 рисунка, список литературы, включающий 126 наименований, приложений.
