Введение к работе
Актуальность работы. Одной из сфер интенсивного внедрения новых антенных систем в микроволновом диапазоне является расширение и совершенствование систем спутниковой, радиорелейной, мобильной и сотовой связи, систем радиолокации и радионавигации. Указанные антенные системы должны соответствовать ряду требований. Для систем сотовой и мобильной связи и телекоммуникаций указанные требования, в первую очередь, определяются необходимостью обеспечения требуемой эффективности связи и степени покрытия территории, а также решения вопросов электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Это определяется тем, что одной из причин, приводящих к снижению эффективности функционирования систем мобильной и сотовой связи, является сложная электромагнитная обстановка, обусловленная плотным расположением радиоэлектронных средств.
Особое значение устойчивое функционирование системы мобильной и сотовой радиосвязи имеет для объектов транспорта. Это связано с тем, что сложный рельеф местности, городская застройка могут приводить к возникновению зон, в которых нарушается устойчивое функционирование систем связи. Устранение таких зон возможно путем установки дополнительных ретрансляторов, что дает возможность обеспечить связь для мобильных абонентов практически на всей территории.
Еще одна важная задача, которая может решаться с помощью мобильных антенных постов, заключается в контроле электромагнитной обстановки и выявлении случаев нарушения территориально-частотного плана распределения излучений. В то же время необходимо отметить, что существующие антенные посты достаточно громоздки, что значительно уменьшает их возможности как по организации связи, так и контроля электромагнитной обстановки.
В условиях возможной сложной сигнально-помеховой обстановки антенно-фидерные устройства радиоэлектронных систем должны обеспечивать устойчивое функционирование, что может быть достигнуто за счет снижения уровня бокового и заднего излучения. Для расширения зоны уверенного приема сигналов антенны следует располагать на специальных довольно громоздких антенно-мачтовых устройствах высотой в десятки метров, а также накладывает жесткие массогабаритные ограничения на антенные устройства.
В соответствии с тем, что сигналы от других абонентов могут приходить с разных направлений, возникает необходимость оперативного изменения направления приема сигналов. Применение рупорных или параболических антенн приводит к необходимости использования опорно-поворотного устройства для возможности наведения луча в направлении приема сигнала, а также систем программного и ручного наведения. В соответствии с этим антенная система должна иметь жесткую конструкцию, чтобы при порывах ветра упругая деформация антенны не превышала допустимую величину, а также иметь сектор сканирования луча диаграммы направленности в азимутальной плоскости от 0 до 360 градусов.
В соответствии с приведенными особенностями функционирования систем сотовой и мобильной связи в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки появляется ряд специфических требований, предъявляемых к антеннам радиодиапазона, таких как:
1. Требуемый коэффициент усиления антенны, позволяющий использовать передатчики небольшой мощности, компактную и экономичную аппаратуру.
2. Заданный коэффициент защитного действия антенны, значение которого определяется требованиями, предъявляемыми к РЭС по помехоустойчивости и электромагнитной совместимости.
3. Уровень боковых лепестков антенны, оказывающий существенное влияние на ЭМС при приеме и ЭМЭ при передаче сигналов, должен быть по возможности меньше и определяется как электрической и конструктивной схемами выполнения антенны, так и влиянием дополнительных факторов (опоры, оттяжки и т.п.).
4. Сканирование диаграммы направленности антенной системы должно обеспечиваться в угловом секторе от 0 до 360 градусов, для обеспечения возможности приема сигналов одновременно с различных направлений с целью расширения возможностей системы связи по пропускной способности и связанности абонентов.
5. Сохранение энергетического потенциала радиолинии в требуемом секторе сканировании.
6. Антенная система, размещаемая на мобильных объектах, должна иметь минимальную массу и габаритные размеры.
Анализ существующих типов антенн, используемых в радиорелейной связи, показал, что они не в полной мере удовлетворяют сформулированной совокупности требований. Наиболее полно данным требованиям будут удовлетворять антенны с цилиндрической несущей конструкцией, которые позволяют сохранить величину энергетического потенциала при сканировании в азимутальной плоскости.
Таким образом, выявление основных закономерностей для амплитудно-фазовых распределений, формирующих ДН с заданными параметрами с учетом возникающих электродинамических эффектов в антенных системах, является актуальным. Решению теоретических и практических вопросов, возникающих в данной области, посвящена рассматриваемая диссертация.
Целью работы является исследование основных закономерностей формирования амплитудно-фазового распределения в цилиндрической антенной решетки произвольного сечения по заданной диаграмме направленности. Для реализации данной цели в диссертации решены следующие задачи:
1. Разработаны методы амплитудно-фазового синтеза токов в цилиндрической антенной решетке продольных электрических вибраторов на цилиндре произвольного сечения с учетом особенностей решения краевой задачи.
2. Решена на основе метода интегральных уравнений задача возбуждения цилиндра произвольного сечения продольным диполем и исследовано влияние параметров численного алгоритма на точность решения.
3. Определены условий реализации ДН цилиндрической антенной решеткой продольных вибраторов с заданной точностью.
4. Определены собственные и взаимные сопротивления продольных электрических вибраторов с учетом влияния несущей конструкции в виде цилиндра произвольного сечения.
5. Исследованы основные закономерности влияния несущей конструкции на амплитудно-фазовое распределение в раскрыве антенны, реализующее заданную ДН.
Объектами исследования в данной работе являются цилиндрические антенные решетки произвольного сечения для радиоэлектронных систем различного назначения.
Научная новизна диссертационной работы обусловливается поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами:
разработан численно-аналитический метод и реализующий его численный алгоритм синтеза амплитудно-фазового распределения токов в раскрыве цилиндрической антенной решетки продольных вибраторов из условия минимизации среднеквадратического отклонения или совпадения в требуемых направлениях заданной и формируемой ДН, в котором в отличие от известных методов коэффициенты получаемой системы уравнений находятся на основе аналитических преобразований;
разработан метод и реализующий его численный алгоритм решения задачи возбуждения цилиндра произвольного сечения продольным электрическим вибратором, отличающийся от известных тем, что вспомогательные источники и точки коллокаций размещаются на одном контуре, совпадающем с контуром цилиндра, а также тем, что число точек коллокации выбирается равным или больше числа вспомогательных источников;
разработан численно-аналитический метод вычисления коэффициентов взаимной связи продольных электрических вибраторов, расположенных вблизи цилиндра произвольного сечения, отличающийся использованием функций Кинга для представления тока в вибраторах и аналитическим вычислением двукратных интегралов;
впервые сформулирована теорема, определяющая условия, при которых заданная ДН может быть реализована с требуемой точностью;
выявлены новые закономерности влияния несущей конструкции на амплитудно-фазовое распределение в раскрыве антенны, обеспечивающие формирование заданной диаграммы направленности в цилиндрической антенной решетке произвольного сечения., отличающиеся от известных тем, что рассмотрены цилиндрические антенны квадратного сечения при расположении излучателей на одной или двух смежных гранях.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов определяется пакетами прикладных программ для ПЭВМ, разработанными на основе предложенных в работе численных методов электродинамического анализа цилиндрических антенн микроволнового диапазона и синтеза амплитудно-фазового распределения токов в раскрыве цилиндрической антенной решетки по заданной диаграмме направленности. Эти программы могут использоваться для сокращения объема и длительности дорогостоящих экспериментальных исследований. Кроме того, сформулированы рекомендации и предложения по выбору параметров амплитудно-фазового распределения цилиндрической антенны микроволнового диапазона, которые могут быть использованы в научно-исследовательских организациях, занятых разработкой радиотехнических, радиолокационных, радионавигационных комплексов и радиосвязи.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов научных результатов подтверждается: использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками сходимости) математических методов решения поставленных задач; совпадением в частных случаях полученных результатов с расчетными и экспериментальными данными, приведенными в научной литературе; предельными переходами полученных результатов в известные соотношения при решении задач амплитудно-фазового синтеза в продольной и поперечной плоскостях.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Электродинамический анализ цилиндрических антенн произвольного сечения с продольно ориентированными электрическими вибраторами. Результаты исследования радиофизических свойств таких антенн для выпуклых и невыпуклых несущих конструкций:
распределения плотности поверхностного электрического тока, на идеально проводящем цилиндре произвольного, включая и невыпуклого, сечения при возбуждении продольным электрическим диполем;
диаграмма направленности продольного электрического диполя, расположенного вблизи идеально проводящего цилиндра произвольного сечения;
взаимосвязь параметров численного алгоритма решения задач дифракции и точности определения радиофизических параметров.
2. Обоснование возможности синтеза амплитудно-фазового распределения в цилиндрической антенной решетке при известных диаграммах направленности излучателей из условий минимизации расхождения или совпадения в требуемых направлениях заданной и формируемой ДН.
3. Исследование основных закономерностей при синтезе амплитудно-фазового распределения и ДН в цилиндрической антенной решетке произвольного сечения с заданными параметрами.
4. Рекомендации по выбору параметров цилиндрических антенн произвольного сечения по заданной диаграмме направленности.
5. Рекомендации по выбору параметров численных алгоритмов при определении распределения токов, диаграмм направленностей и амплитудно-фазовых распределений в цилиндрических антенных решетках.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: I НТК «Современные проблемы электроники» (Ростов-на-Дону, Россия, 2006 г.); IV Международная НПК «Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России» (Ростов-на-Дону, Россия, 2006 г.); V Международная НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, Россия, 2006 г.); VII Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2007 г.); IV Международная НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, Россия, 2007 г.); VI Международная НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, Россия, 2007 г.); Международная НПК «ТЕЛЕКОМ» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); II Международная НТК «Современные проблемы электроники» (Ростов-на-Дону, Россия, 2008 г.); V Международная НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, Россия, 2009 г.).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликованы 21 научная работа, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата и доктора наук, 16 статей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и Международных научных конференций и симпозиумов. Получено одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертационной работы. Результаты исследований изложены во введении, четырех разделах, заключении и одном приложении. Диссертация содержит 156 страниц текста, 44 рисунка, 86 формул, 9 таблиц и список использованных источников, включающий 117 наименований.
