Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ возможности использования электрически больших массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей для создания управляемых отражательных решеток с высоким коэффициентом усиления .
1.1 Архитектура исследуемой антенной решетки и основные принципы ее работы.
1.2 Численные эксперименты по обоснованию концепции построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы .
1.3 Численное моделирование электродинамики антенной решетки и оптимизация параметров образующих ее рассеивателей с учетом их взаимного влияния.
1.4 Результаты численного анализа: характеристики оптимизированной антенной решетки.
1.5 Выводы 73
Глава 2. Лабораторная модель антенной решетки . 74
2.1 Конструкция зеркала антенны. 74
2.2 Система управления антенной решеткой. 77
2.2.1. Требования к системе управления. 77
2.2.2. Аппаратная реализация . 78
2.2.3. Схема системы управления. 80
2.2.4. Реализация ЦАП. 83
2.2.5. RC - фильтры 84
2.2.6. Устойчивость системы управления. 88
2.2.7. Энергопотребление. 90
2.2.8. Последовательный периферийный интерфейс. 92
2.3 Использование методов многомерной оптимизации для формирования диаграммы направленности и управления ее параметрами в процессе эволюционной самоорганизации антенной решетки.
2.3.1. Постановка оптимизационной задачи. 95
2.3.2. Режим обучения. 96
2.3.2.1. Описание задачи оптимизации в режиме обучения
2.3.2.2. Алгоритмы оптимизации. 98
2.3.2.3.Метрики оптимизации. 102
2.3.2.4.Экспериментальная установка и результаты. 103
2.3.3. Режим реальной работы. 109
2.3.3.1. Описание задачи оптимизации в режиме 109
реальной работы.
2.3.3.2. Флуктуации мощности принимаемого сигнала.
2.3.3.3.Алгоритмы и метрики. 112
2.3.3.4. Экспериментальная установка и результаты. 112
2.4 Экспериментальная установка и методы измерения 114
параметров решетки.
2.5 Выводы. 117
Глава 3. Экспериментальное исследование антенной решетки . 119
3.1 Исследование характеристик рассеивателей, работающих в условиях взаимного влияния. Экспериментальная настройка пространственной структуры антенной решетки.
3.2 Управление диаграммой направленности антенной решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения. Достигнутые характеристики антенной решетки
3.3 Работа антенной решетки в режиме адаптации к наличию источников помех.
3.4 Полевые испытания антенной решетки в реальных каналах связи.
3.5 Выводы 136
Глава 4. Модификации антенной решетки . 138
4.1 Расширение частотной полосы антенной решетки 138
4.2 Модификация параметров излучателя параболической 144 антенны с помощью массивов дипольных рассеивателей
4.3 Работа антенной решетки "на просвет" в режиме линзы 148
4.4 Выводы. 153
Заключение. 155
Список цитированной литературы
- Численные эксперименты по обоснованию концепции построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы
- Аппаратная реализация
- Описание задачи оптимизации в режиме обучения
- Управление диаграммой направленности антенной решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения. Достигнутые характеристики антенной решетки
Введение к работе
Актуальность темы.
Применение антенн с высоким коэффициентом усиления, направлением излучения и приема которых можно управлять электрически, представляется весьма перспективным для использования в современных беспроводных системах связи, поскольку такие антенные системы дают возможность устанавливать связь требуемого качества даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени. Однако, несмотря на это, антенны с управляемыми диаграммами направленности до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiFi, WiMax, 3G и т.п.). Единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем [1], в основном, касаются использования антенн с управляемыми диаграммами на стороне базовых станций, в то время как случаи использования подобных антенн на стороне клиентов сетей практически неизвестны.
Главной причиной данной ситуации является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов (фазовращателей, волноводов и т.д.), на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности -фазированных антенных решеток.
Решение задач минимизации числа используемых дорогих СВЧ элементов, уменьшения потерь мощности в волноводах, а также существенного снижения стоимости антенной системы при сохранении преимуществ антенн с электрически управляемой диаграммой направленности возможно в рамках концепции антенной решетки с пространственным питанием ее элементов -пассивных рассеивателей с управляемыми параметрами [2]. Изменение параметров рассеивателей возможно, например, за счет управления характеристиками сосредоточенных нагрузок, включаемых в их конструкцию. Вариация параметров рассеивателей позволяет корректировать фазу и амплитуду переизлучаемых ими полей, что дает возможность формировать нужную диаграмму направленности всей системы рассеивателей. В зависимости от способа формирования диаграммы направленности при отражении первичной волны от массива рассеивателей или при прохождении через него различают отражательные антенные решетки [3-7], линзовые решетки [8] или их комбинации [9].
Характерными особенностями подобных антенн является наличие сильной электродинамической связи между отдельными элементами, их образующими, а также сложный характер связи между параметрами рассеивателя и характеристиками (амплитудой и фазой) переизлученного им поля. Эти особенности затрудняют анализ антенн и требуют создания особых систем управления. Сложность анализа антенных решеток и систем управления многократно возрастает для электрически больших решеток (имеющих высокий
коэффициент усиления), поскольку для них необходимо использование большого числа рассеивающих элементов.
Первые антенны подобного типа были предложены более тридцати лет назад [9], однако не получили широкого распространения из-за отмеченных выше характерных особенностей, накладывавших высокие требования на возможности вычислительной техники, которую нужно было использовать как в ходе разработки антенны (для решения задач анализа и синтеза), так и при ее эксплуатации (для управления). Массовое распространение беспроводных систем связи, требующее внедрения антенн с управляемыми диаграммами направленности, а также то обстоятельство, что один из наиболее перспективных подходов к созданию подобных антенн, основанный на использовании систем управляемых рассеивателей [2], позволяет решить эту задачу лишь при условии детального анализа электродинамических характеристик таких систем, делают тему данной диссертации, посвященной выработке общих подходов к их описанию, весьма актуальной. Необходимость такого рассмотрения усиливается тем обстоятельством, что данная область научных исследований лишь относительно недавно получила необходимые для ее эффективного развития технические средства, поэтому получаемые в ходе соответствующих исследований результаты закладывают фактически основу нового научного направления.
Целью диссертационной работы является выработка общих научных подходов к решению задач синтеза конструкции антенной решетки из множества взаимодействующих нагруженных рассеивателей, выбора типа и характеристик рассеивателя, которые должны позволять получать желаемые характеристики и управляемость диаграммы направленности, и демонстрация эффективности этих подходов на примере создания конкретной работоспособной антенной системы.
Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:
-
Разработаны общие подходы к построению управляемых отражательных антенных решеток с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей.
-
Создана, исследована и успешно испытана в реальных рабочих условиях управляемая отражательная антенная решетка больших электрических размеров, образованная трехмерным массивом нагруженных варикапами дипольных антенн, работающих в условиях сильной электродинамической связи друг с другом и с облучателем решетки. Единичный элемент решетки конструктивно прост и объединяет в себе функции излучателя и фазовращателя. Трехмерное расположение рассеивающих элементов позволяет добиться необходимого диапазона изменения фазы рассеянной волны при высоком значении амплитуды на апертуре решетки за счет использования рассеивателей, находящихся на разных расстояниях от апертуры.
-
Предложен и реализован метод оптимизации геометрических параметров единичного рассеивателя - элемента антенны, входящего в трехмерную систему взаимодействующих рассеивателей, на основе расчета и контроля интегральных характеристик всей системы (коэффициента усиления, формы диаграммы направленности, диапазона управления лучом диаграммы, широкополосности).
-
Впервые предложен и реализован на практике эффективный метод формирования диаграммы направленности подобной антенны, основанный на решении в реальном времени многомерной оптимизационной задачи по определению необходимых для формирования желаемой диаграммы направленности напряжений смещения на варикапах всех диполей. Метод позволяет производить автоматическую настройку антенной решетки на максимально достижимый для данной конструкции уровень излучаемой и принимаемой мощности в желаемом направлении даже при наличии возмущающих объектов вблизи антенны, неточностей в изготовлении элементов антенны или неисправности части из них. Кроме того, метод позволяет адаптировать диаграмму направленности к присутствию источников помех в реальной обстановке за счет формирования минимумов диаграммы направленности в направлении на эти источники. Настройка антенной решетки происходит в процессе ее самоорганизации, обеспечиваемой наличием обратной связи между сигналом на выходе решетки и параметрами рассеивателей.
-
Предложен и реализован метод расширения частотного диапазона разрабатываемой антенной решетки на основе комбинации дипольных рассеивателей, размеры и взаимное расположение которых в пространстве оптимизируются исходя из требуемой частотной полосы антенны и равномерности ее характеристик.
Научная и практическая значимость результатов работы. Научная значимость работы состоит в получении результатов, способствующих формированию нового направления - теории антенных систем, построенных на базе массивов управляемых рассеивателей.
Практическая значимость работы состоит в разработке простой по конструкции и имеющей невысокую стоимость антенны сантиметрового диапазона, формой диаграммы направленности которой можно управлять, а также осуществлять сканирование главного лепестка диаграммы в большом диапазоне углов, изменять ширину этого лепестка, формировать минимумы в заданных направлениях.
Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: МТУ СИ, СПбГЭТУ, ФНПЦ ННИИРТ, НИФТИ, ФГНУ НИРФИ, ЦНИИС, а также для коммерческих компаний, занимающихся вопросами создания беспроводных систем связи в целях реализации масштабных сетей беспроводной связи среднего и дальнего радиусов действия (по технологиям WiFi, WiMAX, 3G и т.п.).
Методы исследования и достоверность научных результатов.
Достоверность и обоснованность результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных методов численного анализа трехмерных электродинамических структур, таких как метод конечных элементов и метод моментов, а также основанных на них программных комплексов (Ansoft HFSS, FEKO, IE3D), сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием различных программных комплексов, сопоставлением численных и экспериментальных результатов, их согласованностью с результатами других авторов, полученных для частных случаев.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
На основе трехмерных электродинамических структур, образованных большим числом дипольных элементов (рассеивателей), нагруженных варикапами и облучаемых единственным активным элементом, могут быть построены антенные решетки с высоким коэффициентом усиления и управляемой диаграммой направленности, отличающиеся от традиционных фазированных антенных решеток существенно более простой конструкцией, пониженным энергопотреблением системы управления, низкими потерями СВЧ мощности и расширенными возможностями по адаптации к окружающим условиям (присутствию возмущающих объектов, выходу из строя части элементов и т.п.)
-
Антенные решетки, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, позволяют обеспечивать широкий диапазон сканирования главного лепестка диаграммы направленности, а также могут быть использованы для создания адаптивных антенн, осуществляющих одновременно усиление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов.
-
Использование в антенных решетках комбинаций рассеивателей, настроенных на разные частоты, позволяет обеспечивать работу со сканированием диаграммы направленности в широком частотном диапазоне.
-
Управление параметрами антенных решеток, построенных с использованием массивов управляемых рассеивателей, должно проводиться с учетом их сильного взаимного влияния и может осуществляться с использованием алгоритмов многомерной оптимизации как на стадии проектирования антенны, так и при ее настройке в реальных условиях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях;- «Samoff Symposium» (Принстон, Нью Джерси, США, 2007 г.), «16th 1ST Mobile and Wireless Communications Summit» (Будапешт, Венгрия, 2007 г.), «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (Москва, Россия, 2009 г.), «IEEE East-
West Design & Test Conference» (Одесса, Украина, 2005 г.), VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005» (С.Петербург, Россия, 2005 г.), 9-й, 10-й, 11-й, 12-й, 13-й и 14-й Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007, 2009, 2010 гг.), 14-й Научной сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 2009 г.). Материалы диссертации обсуждались на научных семинарах кафедры электродинамики и Лаборатории физических основ и технологий беспроводной связи радиофизического факультета ННГУ, а также мероприятиях Лаборатории Интел (г. Беркли, Калифорния, США). Работа созданной антенны была продемонстрирована в реальных каналах связи в ходе полевых испытаний в г. Н. Новгород (Россия) и г. Беркли (США).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых физических журналах, 4 статьи в сборнике трудов конференций и 15 тезисов докладов (отдельно вынесены в «Список публикаций по теме диссертации»).
Личный вклад автора. В совместных работах автор принимал непосредственное участие в постановке задач, выполнении численных расчетов, проведении лабораторных и полевых экспериментов, и интерпретации их результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и изложена на 208 страницах, включая рисунки (82 шт.) и таблицы (8 шт.), список литературы (16 стр.), приложение (33 стр.)
Численные эксперименты по обоснованию концепции построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы
В 1996 году на конференции по фазированным антенным решеткам была представлена отражательная антенная решетка [28] с возможностью управления лучом диаграммы направленности в широких (±45) пределах, работающая на частоте 94 ГГц, использующая PIN-диодные однопозиционные фазовращатели. Дипольные элементы печатаются на подложке, на которой размещаются встроенные кремниевые pin-диоды. Другая конструкция, работающая на частоте 35 ГГц [29], также была представлена на этой конференции, в ней использовались волноводные или диэлектические элементы со встроенными трехбитными ферритовыми фазовращателями, управление диаграммой осуществлялось в пределах ±25. Диаметр шестиугольной решетки составлял 64 см, состояла она из 3600 элементов расположенных на расстоянии 1,1 длины волны друг от друга. Каждый элемент имел плоскую ДН, с острыми краями для уменьшения боковых лепестков в решетке. Управление осуществлялось встроенными ферритовыми фазовращателями. В антенной решетке, разработанной исследовательским центром NASA Glenn Research Center, в целях уменьшения размеров для вращения фазы использовалось тонкопленочное ферроэлектрическое устройство, Ba0.06Sr0.40TiO3(BST) [30]. Система работала на частоте 19 ГГц, в С-диапазоне потери фазовращателей составляли около 2 дБ, на частоте 19 ГГц - до 4 дБ.
Более поздние антенные решетки с управляемой ДН использовали диоды-варикапы [31, 32], где необходимы только одна или две линии управления. Конфигурация отражательной решетки с элементами — двумя половинками микрополоскового прямоугольного рассеивателя, соединенными диодами варикапами, представлена на рис. 9. Каждый диод обратно смещен и управляется постоянным напряжением, изменение которого приводит к изменению фазы поля, переизлучаемого каждым элементом решетки. В такой конструкции требуется 1-2 линии управления на каждый элемент решетки, в традиционных фазовращательных схемах необходимо до 12 диодов и 12 линий управления на каждый. Таким образом, это фактор становится очень важным при создании больших решеток с большим числом элементов. Лабораторный прототип антенны для С-диапазона, состоящий из 70 элементов с варикапами представлен на рис. 9, совместно с набором диаграмм. Луч управляется в пределах ±50. Потери диода в данном диапазоне составляют до 2 дБ, и могут увеличиваться в миллиметровом диапазоне частот. Ещё одним ограничением в использовании таких диодов может стать их размер/упаковка/корпус.
В качестве управляемых элементов в отражательных решетках используются как pin-диоды, позволяющие осуществлять дискретное подключение и отключение элементов системы, а, следовательно, дискретно управлять фазой переотраженного поля, так и диоды-варикапы, дающие возможность плавной перестройки параметров нагрузок за счет изменения напряжения смещения, и, следовательно, позволяющие плавно перестраивать фазу переотраженного поля. До настоящего момента отражательные антенные решетки считаются новой концепцией [33, 34] и практически распространены в гораздо меньшей степени, чем классические ФАР. Подобная ситуация во многом связана со сложностью разработки и оптимизации конструкции подобных антенн, обусловленная необходимостью решения задач одновременной оптимизации самих рассеивателей, их размещения на плоскости, взаимного размещения плоскости и облучателя при учете сильного взаимодействия всех элементов.
Примерно в то же время, в которое появились первые работы по отражательным антенным решеткам, для дециметрового и более длинноволновых диапазонов была предложена антенна, образованная рассеивающими элементами, расположенными не на плоскости, а в пространстве вокруг активной антенны - облучателя.
Подобные антенные решетки с управляемыми рассеивателями получили название ESPAR антенн (Electronically Steerable Parasitic Array Radiators). Большинство ESPAR антенн [35-40] выполнено по схеме, предложенной в ранних работах (рис. 10) [41-43]: над металлической плоскостью (rg) располагается запитываемая с помощью коаксиального кабеля штыревая антенна (ha); вокруг этой антенны размещаются металлические штыри (1-6), соединяемые с металлической плоскостью через нагрузки-диоды (X;); к диодам прикладывается напряжение смещения, величина которого задает значение емкости нагрузки. Штыри имеют размер (hp) около четверти рабочей длины волны
Аппаратная реализация
В процессе численного исследования геометрических параметров диполя и трансформатора импеданса подтвердилась гипотеза о сильной электродинамической связи рассеивателеи и её влиянии на искажение амплитудных и фазовых характеристик элементов решетки. Большинство опубликованных работ по исследованию влияния взаимодействия рассеивателеи на характеристики адаптивных антенн относится к ESPAR антеннам с числом пассивных элементов не превышающим 10, в них производились расчеты, непосредственные измерения наводимых токов и импедансов [67-69], а также использовались специальные изолирующие элементы для минимизации взаимного влияния [70, 71]. Целью численных экспериментов по исследованию взаимного влияния, представленных в данной работе, являлось выяснение оптимального (с точки зрения максимизации амплитуды и диапазона изменения фазы переизлученного поля) расстояния между элементами в антенной решетке электрически больших размеров (порядка 8А,) с общим числом элементов до 500 шт.
При использовании в антенной решетке элементов, у которых характеристики (фаза и амплитуда) не зависят от взаимного влияния рассеивателей друг на друга, вариация расстояния между ними не приводит к качественным изменениям при формировании ДН. Однако, если длина (размеры) решетки фиксирована, вариация расстояния между элементами приводит к изменению их количества. Использование активных элементов в решетке и развод энергии по фидерам (как в ФАР) приводят к тому, что излучаемая энергия остается неизменной при разном количестве рассеивателей и плотности их расположения. С другой стороны, при использовании пассивных элементов и распределении энергии облучателя через свободное пространство необходимо следить за эффективностью переизлучения энергии рассеивателями, так как каждый пассивный элемент способен работать с определенной эффективностью, перехватывать и переизлучать определенную максимальную амплитуду при различных расстояниях между ними.
Это утверждение подтверждается численным экспериментом, в котором при фиксированной длине решетки изменялось расстояние между элементами, то есть плотность рассеивателей в системе, вычисленные значения амплитуды и фазы переизлученного поля в дальней зоне в зависимости от величины нагрузки (емкостей диодов) представлены на графиках (рис.30).
Слева на рис. 30 цифрами 1-9 отмечены графики вариации фазы (ср) переизлученного поля при разных расстояниях между элементами (D, от 10 до 90 мм с шагом 10 мм) в зависимости от емкости диодов-варикапов (С). Диапазон изменения фазы расширяется с увеличением расстояния (уменьшение плотности), что объясняется ослаблением взаимного влияния. Справа на рис. 30 цифрами 1-9 отмечены графики вариации амплитуды (А) переизлученного поля при разных расстояниях между элементами (D, от 10 до 90 мм с шагом 10 мм) в зависимости от емкости диодов-варикапов (С). Амплитуды нормированы на максимум, достигаемый при минимальном расстоянии между элементами (максимальной плотности элементов). Видно, что с увеличением расстояния амплитуда убывает, и при расстоянии D = 90 мм максимальное значение вдвое меньше максимума при D = 10 мм, это объясняется неполным перехватом энергии (просачиванием излучения сквозь решетку).
Однако, максимизация амплитуды или диапазона изменения фазы переизлученного поля не достаточна, необходимым условием является перестройка фазы при максимальных амплитудах. На рис. 31 слева представлены результаты численного анализа: цифрами 1-9 отмечены графики зависимости амплитуды поля (А) от сдвига фазы (5ф) при различных расстояниях между элементами (D). На графике все амплитуды нормированы на единицу длины решетки и на максимум, достигаемый при минимальном расстоянии между элементами D = 10 мм (или максимальной плотности элементов в решетке). Жирной горизонтальной чертой отмечен уровень отсечения амплитуды на половине максимального значения (0,5 эквивалентно -ЗдБ), ниже этого уровня считаем, что эффективность переизлучения элемента неудовлетворительна.
Описание задачи оптимизации в режиме обучения
Обучение (off-line-оптимизация) адаптивной антенны представляет собой разновидность глобальной задачи оптимизации, которая используется для синтеза диаграммы направленности, максимум которой соответствует заранее известному направлению на источник сигнала. Это достигается путем подбора напряжений на диодах рассеивателей для максимизации уровня сигнала на активном элементе. Математически задачу можно сформулировать следующим образом: RSS(U) = RSS(Ul9U2,...9UJ - max s где RSS(U) - представляет собой уровень сигнала (Received Signal Strength), Ub U2, ..., Un — напряжения смещения на диодах.
Несмотря на сложность аналитического решения, можно воспользоваться приближением для описываемой функции, которое в дальнейшем будет использовано в численных экспериментах: для одного ряда рассеивающих элементов (рис. 46) без учета взаимного влияния, амплитуда сигнала может быть записана следующим образом: где Ап - амплитуда отраженной волны от и-го рассеивателя, к - волновое число, Д - разница хода, срп — сдвиг фазы на «-ом рассеивателе, а , -аддитивный гауссовский шум. Выражение (2.1) не учитывает взаимного влияния, но между тем дает достаточно точный профиль функции, что очень важно для выбора наиболее подходящих методов. Внизу приведен трехмерный профиль функции (2.1), который был получен рядом с точкой глобального максимума (рис. 47).
Видно, что данная функция имеет один глобальный и множество локальных максимумов. Таким образом, учитывая еще и стохастический характер функции, можно сделать вывод, что традиционные методы, основанные на нахождении производных в данном случае неприменимы.
Для глобальной оптимизации были выбраны три метода: генетический алгоритм (GA) [85, 87-89], алгоритм роя частиц (particle-swarm optimization, PSO) [85, 86, 90] и метод глобальной оптимизации на двоичной сетке кода Грея (VO) [91]. PSO и GA алгоритмы представляют класс вероятностно-эволюционных алгоритмов, в то время как метод глобальной оптимизации на двоичной сетке кода Грея использует детерминированный поиск. Данный выбор алгоритмов обусловлен следующим набором требований:
Глобальность. Оптимизируемая функция имеет большое количество локальных экстремумов, алгоритм должен обеспечивать поиск глобального экстремума. Высокая размерность пространства. Число рассеивателей превышает 100, поэтому алгоритм должен работать в пространстве высокой размерности.
Повторяемость. Несмотря на стохастический характер и множество локальных экстремумов, алгоритм должен обеспечивать повторяемость результата оптимизации при многочисленных запусках. Также, это может служить гарантией того, что был найден действительно глобальный максимум.
Стабильность во времени. Алгоритм оптимизации должен не только гарантировать нахождение глобального экстремума, но и его сохранение при последующей оптимизации вплоть до ее окончания. Это позволит сохранить хорошее качество связи во время процесса оптимизации.
Нечувствительность к шумам. Необходимость этого требования объясняется тем, что мощность принимаемого сигнала является переменной, при сохранении всех остальных параметров.
Генетические алгоритмы являются особым классом эволюционных алгоритмов, которые используют такие эволюционные процессы, как наследственность, мутации, селекция и кроссовер. Генетические алгоритмы реализуются как компьютерное моделирование эволюции абстрактной популяции с целью улучшения вида. Так, генетический алгоритм случайно генерирует начальную популяцию, а дальше улучшает ее с помощью повторяющихся операций мутации, кроссовера и селекции. В рассматриваемом случае оптимизации гены особей представляют собой напряжения на рассеивателях. Функция здоровья особей есть не что иное, как значение уровня сигнала для данного набора напряжений. Для получения каждой последующей популяции были использованы однородный кроссовер и случайные мутации. Часть особей с наибольшим значением оптимизируемой функции (так называемая элита) переходили в новое поколение без изменений. Данный процесс продолжается до тех пор, пока среднее здоровье популяции не будет оставаться постоянным какое-то фиксированное время. Это будет означать, что экстремум уже достигнут. Внизу приведен псевдокод работы используемого генетического алгоритма:
Алгоритм роя частиц или Particle swarm optimization — это стохастический метод оптимизации, основанный на «социальной оптимизации». Начальное поколение особей выбирается случайно и приводится в движение. Далее, особи итеративно обновляют свои положения в пространстве и корректируют свою скорость так, чтобы продолжить движение в сторону предполагаемого экстремума. «Социальность» алгоритма заключается в том, что особи имеют память и могут обмениваться информацией о лучших значениях, которые они получили. В случае оптимизации антенны каждая особь представляет собой набор напряжений, а условие окончания работы аналогично генетическому алгоритму: алгоритм заканчивает работу, если наилучшее полученное значение функции не меняется в течение фиксированного промежутка времени.
Управление диаграммой направленности антенной решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения. Достигнутые характеристики антенной решетки
Таким образом, в данной диссертационной работе приведены результаты аналитического и экспериментального исследования антенн с управляемой диаграммой направленности, построенных на основе систем управляемых пассивных рассеивателей.
В работе показано, что на основе трехмерных электродинамических структур, образованных большим числом дипольных элементов (рассеивателей), нагруженных варикапами и облучаемых единственным активным элементом, могут быть построены антенные системы с высоким коэффициентом усиления и управляемой диаграммой направленности, отличающиеся от традиционных фазированных антенных решеток существенно более простотой конструкцией, пониженным энергопотреблением системы управления и низкими потерями СВЧ мощности.
Разработанная антенна состоит из зеркала, образованного управляемыми рассеивателями, и облучателя. В качестве управляемых рассеивателей выбраны электрические вибраторы, нагруженные в центре емкостным импедансом, значение которого может изменяться. Вариация импеданса нагрузки позволяет настраивать фазу рассеянной вибратором волны. Одновременно с этим изменяется и амплитуда рассеянного поля. Конструкция антенны, в которой рассеиватели размещаются в пространстве, а не на плоскости, позволяет произвольным образом изменять взаимное расположение рассеивателей, что расширяет возможности по оптимизации ее структуры для получения тех или иных характеристик.
Также показано, что антенные системы, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, могут обеспечивать широкий диапазон сканирования главного лепестка диаграммы направленности. Прототип антенны, изготовленный для проведения лабораторных и полевых экспериментов, работает в диапазоне 2,4 ГГц, и при общих размерах 100x60x30 см, коэффициент усиления антенны составляет 21,5 дБи с возможностью управлять главным лучом диаграммы направленности в диапазоне углов ±60 в горизонтальной плоскости и ±15 в вертикальной плоскости.
Энергопотребление системы управления антенной составило 7,7 Вт, при этом устройство связи, к которому подключается антенна, потребляет дополнительно 6 Вт.
В работе представлены результаты, показывающие, что антенные системы, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, могут быть использованы для создания адаптивных антенн, позволяющих осуществлять одновременно усиление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов. При удовлетворительном значении коэффициента усиления разработанной антенны в направлении источника "полезного" сигнала (порядка 18-21 дБи), уровень сигнала "помехи" составлял около -20дБи.
Исследования антенной системы на основе комбинации рассеивателей, настроенных на разные частоты, показали возможность сканирования диаграммы направленности в широком частотном диапазоне. Применение рассеивателей с шириной полосы 50 МГц по уровню -1 дБ, масштабированных для двух центральных частот 2,42 ГГц и 2,62 ГГц, приводит к тому, что ширина полосы модифицированной антенны расширяется до 200 МГц (на уровне КУ равном 20 дБи).
Приведенные результаты численных экспериментов, полевых испытаний и экспериментов в антенной камере демонстрируют, что управление параметрами антенн, построенных с использованием массивов управляемых рассеивателей, должно проводиться с учетом их сильного взаимного влияния. Показано, что системы управления массивами взаимодействующих рассеивателей должны использовать принципы самоорганизации. При этом для обеспечения процесса самоорганизации в системе должна быть введена интеллектуальная обратная связь, включающая подсистему измерения оптимизируемого параметра (например, уровня принимаемого сигнала) и подсистему управления параметрами рассеивателей, которая работает с использованием информации о текущем значении оптимизируемого параметра и предыстории его поведения при различных значениях управляющих сигналов. Исследования демонстрируют, что управление параметрами антенн может осуществляться с использованием алгоритмов многомерной оптимизации, как на стадии разработки антенны, так и на стадии ее настройки в реальных условия. В последнем случае алгоритмы многомерной оптимизации реализуются в подсистеме управления системы обратной связи. Описана методика и подходы к оптимизации распределения напряжений по элементам антенны. По результатам исследования статистических характеристик сигналов (шумов) и исследования поведения выбранных алгоритмов оптимизации с этими сигналами был сделан вывод о том, что генетический алгоритм лучшим образом подходит как в процессе обучения (off-line оптимизации в антенной камере для формирования максимумов диаграмм направленности в фиксированных направлениях с использованием гармонического сигнала), так и для режима реальной работы (on-line оптимизация во время передачи данных) стохастических систем с большим числом параметров и исследуемой антенны в частности.
