Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование основ реализации технологии MIMO в сетях и радиолиниях дкмв, использующих быстроразворачиваемые комплексы связи 13
1.1 Анализ основных особенностей сетей и радиолиний ДКМВ диапазона и современных требований к ним 13
1.2 Анализ основных типов антенных систем диапазона ДКМВ и выбор методов и программных средств их математического моделирования 19
1.3 Исследование возможностей использования технологии MIMO в комплексах диапазона ДКМВ 34
1.4 Выводы по разделу 61
2 Исследование характеристик и обоснование методики про ектирования радиолиний дкмв диапазона, использующих технологию MIMO 64
2.1 Исследование характеристик системы MIMO с поляризационным разнесением
2.2 Исследование характеристик системы MIMO с пространственным разнесением на основе адаптивных фазированных антенных решеток 77
2.3 Исследование характеристик системы MIMO, совмещающей пространственное и поляризационное разнесение 85
2.4 Обоснование методики проектирования радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO 101
2.5 Выводы по разделу 108
3 Исследование антенных систем для стационарных и быстроразворачиваемых комплексов дкмв радиосвязи, использующих технологию MIMO 110
3.1 Исследование триортогональных передающих антенных систем 110
3.2 Исследование приемных антенных систем в виде активных триортогональных излучателей 120
3.3 Исследование приемных антенных систем на основе кольцевых антенных решеток активных триортогональных излучателей 129
3.4 Выводы по разделу 141
4 Практическая реализация и экспериментальные исследования составных частей комплексов дкмв радиосвязи, использующих технологию MIMO
1 4.1 Обоснование технических требований к приемной триортогональной антенной системе 143
4.2 Разработка технических требований к составным частям приемной триорто-гональной антенной системы 151
4.3 Экспериментальные исследования составных частей приемной триортого нальной антенной системы 170
4.4 Выводы по разделу 184
Заключение 187
Список сокращений 195
Список литературы
- Анализ основных типов антенных систем диапазона ДКМВ и выбор методов и программных средств их математического моделирования
- Исследование характеристик системы MIMO с пространственным разнесением на основе адаптивных фазированных антенных решеток
- Исследование приемных антенных систем на основе кольцевых антенных решеток активных триортогональных излучателей
- Разработка технических требований к составным частям приемной триорто-гональной антенной системы
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В современных условиях крайне важным, а порой незаменимым средством связи является ДКМВ радиосвязь. В настоящее время существующие системы ДКМВ-радиосвязи обеспечивают передачу информации на дальние расстояния за счет однократного или многократного отражения волн от ионосферы Земли, а на относительно небольшие расстояния радиосигнал распространяется по ионосферным трассам зенитного излучения либо земной волной. Причем при деструкции ионосферы в результате боевых действий последний случай может оказаться единственно доступным видом связи.
Структура и свойства ионосферы обладают сильной изменчивостью во времени. С учетом этого обстоятельства, трассы распространения радиоволн ДКМВ-диапазона обладают нестационарными характеристиками (ввиду непостоянства электрофизических характеристик ионосферы), возникновением эффекта многолучевого распространения сигнала (за счет отражения радиоволн от различных слоев ионосферы) и существенным изменением вида и характеристик поляризации (в связи с отражением от слоев ионосферы происходит вращение плоскости поляризации, а также суперпозиции различных, нормальных и аномальных отраженных радиоволн). В итоге, различные лучи характеризуются различными значениями времени задержки и характеристиками деполяризации. Это накладывает ряд ограничений на качество такого вида связи: ограниченность рабочей полосы пропускания (узкополосность), нестабильность ДКМВ-радиоканала, высокий уровень помех и, как следствие, небольшое соотношение сигнал/шум и низкая пропускная способность.
Невозможность применения полноразмерных антенных решений, например, в случае быстроразворачиваемых комплексов, лишь обостряет вышеперечисленные сложности.
Несмотря на это, ДКМВ-радиосвязь обладает рядом несомненных достоинств, таких как, высокая гибкость и мобильность, относительно слабая зависимость от инфраструктуры, возможность организации связи в кратчайшие сроки и при минимальных затратах, в том числе из неподготовленных районов, высокая живучесть, способность функционировать в условиях частичных отказов, включая условия боевых действий и чрезвычайные ситуации.
Таким образом, в настоящее время особенно актуальна проблема повышения пропускной способности и помехозащищенности в системах связи ДКМВ диапазона.
Современным перспективным направлением по увеличению пропускной способности и надежности каналов является применение технологии многоантенных передающих и приемных систем (Multi Input Multi Output - MIMO). На данный момент подавляющее большинство вариантов реализации технологии MIMO сосредоточено в области СВЧ на основе пространственного разнесения антенных систем и, следовательно, подканалов.
Как показывают результаты экспериментальных исследований де-корреляция при использовании различных видов поляризации для различных парциальных каналов распространения в ДКМВ радиосвязи представляется достаточно существенной, что в свою очередь обусловливает перспективность использования в данном случае MIMO с поляризационным и комбинированным (пространственно-поляризационным) разнесением.
Степень разработанности темы исследования
Идеи в области создания и реализации технологии MIMO в области СВЧ рассмотрены в трудах таких ученых, как А.М. Шлома, В.Б. Крейнделин, Паршин Ю.Н; в области ВЧ – Salous S., Goldsmith A., S. D. Gunashekar.
Основные идеи и результаты создания антенных систем и способов управления их пространственными и поляризационными характеристиками изложены в трудах А.Л. Бузова, А.Д. Красильникова и других ученых.
Способы построения эффективных алгоритмов кодирования, применяемых на оконечном оборудовании системы радиосвязи MIMO ДКМВ-диапазона исследованы в работах Ю.Б. Нечаева, А.А. Малютина.
Однако, вопросы реализации технологии MIMO с поляризационном разнесением подканалов слабо освещены в литературе, с комбинированным – вообще не освещены. Более того, в литературе не отражены результаты исследований технологии MIMO, учитывающие характеристики приемных и передающих антенных систем в ДКМВ диапазоне.
Цель диссертационной работы состоит в разработке путей создания быстроразворачиваемых комплексов диапазона ДКМВ, обеспечивающих повышение надежности и устойчивости радиосвязи, на основе технологии MIMO и антенных систем, реализующих пространственное, поляризационное и комбинированное разнесение.
Задачи диссертационной работы:
-
Анализ основных особенностей сетей и радиолиний ДКМВ диапазона и современных требований к ним.
-
Обоснование основных типов антенных систем диапазона ДКМВ и выбор методов и программных средств их математического моделирования.
-
Исследование возможностей использования технологии MIMO в комплексах диапазона ДКМВ.
-
Исследование характеристик систем MIMO диапазона ДКМВ при различных видах и различной кратности разнесения.
-
Обоснование методики проектирования радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO.
-
Исследование антенных систем для стационарных и быстроразворачи-ваемых комплексов ДКМВ радиосвязи, использующих технологию MIMO.
-
Разработка технических требований к приемной триортогональной антенной системе.
8. Экспериментальные исследования составных частей приемной
триортогональной антенной системы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основе анализа основных особенностей сетей и радиолиний ДКМВ диапазона и современных требований к ним разработаны научно-технические основы реализации технологии MIMO в сетях и радиолиниях ДКМВ, использующих быстроразворачиваемые комплексы связи, включая обоснование основных вариантов построения радиолиний, результаты исследований возможностей и эффективности использования технологии MIMO при различных видах разнесения, результаты оценки достижимой пропускной способности каналов MIMO, обоснование основных требований к структуре и составу радиолиний и их составным частям, обоснование решений по построению антенных систем с пространственным и поляризационным разнесением.
-
Обоснована методика проектирования радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO, включающая анализ типов и условий размещения радиостанций, выбор видов и кратностей множественного приема и передачи, выбор типов, состава и геометрии антенных систем, уточнение технических требований к оборудованию, подбор и разработку (при необходимости) составных частей оборудования.
-
Получены новые результаты исследований характеристик радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO с поляризационным и комбинированным разнесением, при использовании различных типов антенных систем.
-
Получены новые результаты исследований антенных систем для комплексов ДКМВ радиосвязи, использующих технологию MIMO, включая триортогональные передающие антенные системы, активные триортогональные приемные излучатели и решетки на их основе, полученные на основе электродинамических моделей, уточненных по результатам экспериментальных исследований.
Теоретическая значимость работы состоит в расширении и углублении знаний о возможностях использования технологии множественного приема и передачи (MIMO) при различных видах разнесения в диапазоне ДКМВ.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Результаты разработки научно-технических основ реализации технологии MIMO в сетях и радиолиниях диапазона ДКМВ и обоснованная методика их проектирования открывают возможности создания нового поколения радиосредств ДКМВ с существенно улучшенными характеристиками.
-
Полученные новые результаты исследований характеристик радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO с поляризационным и комбинированным разнесением при использовании различных типов антенных систем будут полезны разработчикам перспективных антенных систем при выборе технических решений и оценке их предельно достижимых характеристик.
Результаты диссертационной работы, при активном непосредственном участии автора, успешно внедрены в интересах соответствующих организаций. Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Методология и методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, вычислительной электродинамики, теории цепей, теории антенн. Для проведения расчетов использовались прошедшие государственную регистрацию программные комплексы, разработанные в ОАО «Концерн «Автоматика».
На защиту выносятся следующие основные положения
-
Научно-технические основы реализации технологии MIMO в сетях и радиолинияхдиапазона ДКМВ, включая обоснование основных вариантов построения радиолиний, результаты исследований возможностей и эффективности использования технологии MIMO при различных видах разнесения, результаты оценки достижимых значений пропускной способности каналов MIMO, обоснование основных требований к структуре и составу радиолиний и их составным частям, обоснование решений по построению антенных систем с пространственным и поляризационным разнесением.
-
Методика проектирования радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO, включающая анализ типов и условий размещения радиостанций, выбор видов и кратностей множественного приема и передачи, выбор типов, состава и геометрии антенных систем, уточнение технических требований к оборудованию, подбор и разработку (при необходимости) составных частей оборудования.
-
Новые результаты исследований характеристик радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO с поляризационным и комбинированным разнесением, при использовании различных типов антенных систем.
-
Новые результаты исследований антенных систем для комплексов ДКМВ радиосвязи, использующих технологию MIMO, полученные на основе электродинамических моделей, уточненных по результатам экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность результатов работы являются результатом использованных методов и построенных на их основе расчетных моделей. Достоверность результатов работы подтверждается хорошим соответствием расчетных и экспериментальных данных, а также полученными практическими результатами. Диссертационная работа соответствует п.п. 3, 11 и 14 паспорта специальности 05.12.13 а также п.п. 1 и 2 паспорта специальности 05.12.07.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования докладывались на:
- XV Международной научно-техническая конференции «Проблемы тех-
ники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2014),
- XXII Российской научно-технической конференции ПГУТИ (Самара,
2015),
- IX Всероссийской межведомственной научной конференции «Актуаль-
ные направления развития систем охраны, специальной связи и информации для нужд государственного управления»: материалы и доклады (Орел, 2015),
- X Международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным про-
блемам науки, посвященном 70-летию Победы (Непряхино, 2015),
- 25-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и теле-
коммуникационные технологии» (Севастополь, 2015),
- XIII Международной научно-технической конференции «Физика и тех-
нические приложения волновых процессов» (Казань, 2015),
- XXIII Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов
ПГУТИ (Самара, 2016). По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 17 печатных трудов, в том числе 8 статей в журналах, включенных в Перечень ВАК и 9 публикаций в форме текстов и тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Анализ основных типов антенных систем диапазона ДКМВ и выбор методов и программных средств их математического моделирования
В состав радиоцентра входят антенные и фидерные устройства с аппаратурой многократного использования антенн, промежуточная и оконечная аппаратура приемного тракта, радиоприемники и радиопередатчики, аппаратура контроля, дистанционного управления, служебной связи и сигнализации. Антенные системы располагаются на антенном поле, которое обычно занимает большую часть территории радиоцентра. Для коротковолновых радиоцентров применяются как узконаправленные антенны в количестве, соответствующем числу заданных направлений радиосвязи, составляющие сеть проводов, подвешиваемых на металлических или деревянных опорах высотой от 25 до 170 м, так и ненаправленные и слабонаправленные антенны. Следует отметить, что большая площадь антенных полей позволяет использовать многочисленный набор как одномачтовых, так и многомачтовых антенн: наклонные V-образные, вибраторы с наклонными плечами ВН, вибраторы горизонтальные диапазонные ВГД и шунтовые ВГДШ, вибраторы горизонтальные диапазонные угловые УГД и шунтовые УВГДШ, антенны типа БС и БС-2 (бегущей волны со связью через сопротивление), антенны типа РГД (ромбическая горизонтальная двойная), антенны зенитного излучения и другие типы антенн удовлетворяющим заданным характеристикам. Также это позволят использовать разнесенный прием [2]. Таким образом, в составе передающего и приемного радиоцентра имеется значительное количество антенн (соответственно, передающих и приемных), обычно – направленных, размещенных на антенных полях большой площади.
Возможности «традиционного» мощного радиоцентра по использованию имеющихся антенн для организации MIMO с пространственным разнесением, несмотря на значительное количество антенн, весьма ограничены, поскольку наличие двух или более направленных антенн, рассчитанных на работу строго в одном и том же направлении и в одном частотном диапазоне, как правило, не предусматривается. Возможности организации MIMO с поляризационным разнесением также ограничены, поскольку традиционная номенклатура антенн дальней связи не предполагает разнообразия поляризационных характеристик. Биортогональ-ную структуру и управление видом горизонтальной поляризации имеют, в лучшем случае, антенны зенитного излучения [43], а антенны вертикальной поляризации используются, в основном, на трассах «земной волны». Тем не менее, поляризационное разнесение по передаче или/и приему, в принципе, возможно на основе совместного использования упомянутых типов антенн.
Более перспективным, однако, представляется путь модернизации антенного хозяйства радиоцентров с введением передающих и приемных антенн, специально рассчитанных на использование технологии MIMO, и их включением в единый антенный комплекс и систему антенной коммутации объекта. В качестве передающих антенн при пространственном разнесении могут использоваться традиционные полноразмерные широкополосные вибраторы [36], при поляризационном – би- и триортогональные излучатели и антенные решетки их основе [29]. Весьма перспективными со временем могут оказаться активные передающие триортогональные излучатели и решетки на основе укороченных вибраторов [5], однако к настоящему времени серьезные проблемы, связанные с их реализацией, еще ждут своего решения. Приемные антенные системы для MIMO целесообразно строить в виде активных приемных триортогональных антенных элементов – ТАЭ и кольцевых антенных решеток (КАР) на их основе [27, 104], что позволит обеспечить как поляризационное (за счет триортогональности), так и пространственное (за счет разнесенных ТАЭ или разноса по угломестному направлению главного излучения решетки) разнесение по приему.
Приемопередающие ДКМВ радиоцентры и ДКМВ радиостанции в составе многофункциональных центров связи, как правило, размещаются в условиях существенно ограниченной занимаемой антеннами площади, очень часто – в городских зданиях (сооружениях) относительно небольших размеров. Передающие и приемные антенны ДКМВ диапазона при этом удается установить только на крыше здания, площадь которого, особенно с учетом присутствия антенн радиосредств других диапазонов, практически не оставляет возможностей для размещения нескольких пространственно разнесенных антенн ДКМВ. Для организации связи по технологии MIMO в данном случае должно применяться поляризационное разнесение на основе использования би- или триортогональных передающих систем из полноразмерных излучателей и малогабаритных приемных ТАЭ.
Радиостанции подвижных объектов как возможная область применения MIMO, по-видимому, могут стать объектом исследования в ближайшем будущем, если будут решены задачи обеспечения быстродействующей адаптации соответствующих алгоритмов пространственно-временного кодирования к изменению положения и ориентации быстро перемещающегося объекта. Что касается антенн для MIMO, в данном случае проблемы те же (если не более острые), что и для компактного стационарного объекта. Соответственно, должно использоваться поляризационное разнесение на основе применения ТАЭ. С учетом относительно малых размеров большинства подвижных объектов, весьма перспективными могут оказаться ТАЭ на основе компактных магнитных (рамочных) излучателей.
Подвижные радиоузлы связи предназначены для организации систем и сетей радиосвязи в KB и УКВ диапазонах Министерства обороны, пограничной службы, Федеральной службы охраны, Министерства по чрезвычайным ситуациям и ряда других ведомств.
Оборудование подвижных радиостанций размещается на автомобилях. Эти радиостанции также называются возимыми. Кроме того, к подвижным относятся радиостанции, которыми оснащается личный состав подразделений и частей. Эти радиостанции бывают: портативные (небольшие по габаритам и массе, могут размещаться в карманах обмундирования), носимые (массой до 15 кг, переносятся за спиной, работают в движении), переносные (массой более 15 кг, переносятся двумя и более радистами, работают только на месте) [58].
Радиостанции ДКМВ в составе мобильных быстроразворачиваемых узлов связи играют особую роль, поскольку именно они призваны решить проблему обеспечения связи в особые периоды и при чрезвычайных ситуациях, в том числе – из неподготовленных районов, и в тех случаях, когда все другие виды связи отсутствуют или вышли из строя. В современных условиях, помимо требований, общих для всех типов радиостанций и радиоцентров, к ним предъявляются требования [8, 43]: универсальности (возможность использования в составе различных сетей, предоставления современных качественных инфокоммуникационных услуг, организации устойчивой качественной связи при встречной работе с радиоцентрами и радиостанциями различных типов на трассах различной протяженности); тактической и функциональной гибкости (гибкость по типу и протяженности трасс, обеспечение соответствующим частотным ресурсом, гибкость среды взаимодействия составных частей комплекса); мобильности и оперативности развертывания.
Исследование характеристик системы MIMO с пространственным разнесением на основе адаптивных фазированных антенных решеток
Как было показано ранее в разделе 1.3 в рассматриваемом диапазоне целесообразно применять MIMO с поляризационным разнесением. В данном разделе в качестве систем, над которыми будет строиться канал MIMO предлагаются вибраторные антенны на базе би- и триортогональных вибраторных решений [105].
Построим корректные электродинамические модели предлагаемых решений с учетом экспериментальных характеристик с целью дальнейшего проведения анализа пропускной способности канала по формуле (1.15).
Моделирование всех антенн будем производить путём электродинамического анализа методом интегральных уравнений Фредгольма первого рода [10, 14, 37, 55], который был достаточно подробно рассмотрен в главе 1. Таким образом, все разрабатываемые модели будут выполнены в тонкопроволочном приближении.
Сначала синтезируем модель триортогонального антенного решения на базе коротких вибраторов. Несомненными преимуществами такой антенны является возможность поляризационного разнесения сигналов, постоянство действующей высоты во всем рабочем диапазоне частот, относительно малые габариты и занимаемая площадь, возможность применимости таких антенн в составе быстрораз-ворачиваемых радиокомплексов.
Триортогональные антенные элементы (ТАЭ), представляют собой короткие (l ) симметричные вибраторы, расположенные в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях. Применение антенных усилителей с высоким входным сопротивлением обеспечивает постоянство действующей высоты антенны в ДКМВ диапазоне. Триортогональные антенные элементы обычно располагают на относительно низкой высоте подвеса, которая составляет 2,5-5м. Из соображений меньшей подверженности электродинамических характеристик к влиянию внешних факторов (подстилающих свойств поверхности, влиянию внешних металлоконструкций и т.д.), а также меньшей восприимчивости к индустриальным помехам, более предпочтительным является симметричный вариант диполя. С практической точки зрения такие антенны целесообразно размещать на металлической опоре, которая обеспечивает соответствующую механическую прочность, грозозащиту активных антенн, электробезопасность и относительно низкую стоимость.
В ОАО «Концерн «Автоматика» было разработано изделие ТАЭ УВИР.464634.001, которое будет подробно рассмотрено в главе 4. В ходе работы над диссертацией был поставлен эксперимент по измерению кроссполяризацион-ных развязок между антенными элементами изготовленного ТАЭ [104]. При анализе данных, полученных из эксперимента, было выявлено несоответствие полученных электрических характеристик электродинамической модели. В связи с этим, было принято решение адаптировать имитационную модель к реальным условиям. Для этого в модель были добавлены элементы подстилающей поверхности и опор. Учёт влияния подстилающей поверхности на импедансные характеристики производились с помощью металлической конструкции (сетки) для всех имитационных электродинамических моделей антенн в главах 2 и 3 [97]. Изменяя размеры и шаг сетки удалось получить значения кроссполяризационных развязок близких к экспериментальным.
Рассмотрим результирующую электродинамическую модель ТАЭ (рисунке 2.1). Высота подвеса ТАЭ составляет 4 м. Длины вибраторов равны 4 м (состоящие из двух плеч длиной по 2 м каждое). Из соображений механической прочности и учета влияния опоры на электродинамические характеристики ТАЭ, расстояние между опорой и вертикальным вибратором ТАЭ было выбрано равным 0,6 м [104]. Размер металлической конструкции (сетки) составляет 1818 м с шагом 0,6 м. При анализе результатов, полученных с помощью построенной модели, было выявлено достаточно высокое совпадение электродинамических характеристик с результатами эксперимента, опубликованных в [104].
Значение кроссполяризационной развязки имитационной модели ТАЭ на 10 МГц между вертикальным и горизонтальными вибраторами равна 26,226 дБ, а между горизонтальными вибраторами - 23,13 дБ.
Аналогичным образом синтезируем далее электродинамическую модель биортогонального антенного элемента (БАЭ) (рисунке 2.2). БАЭ представляет собой два взаимно ортогональных вибратора ВГДШП [36]. Плечи вибратора соединяются шунтовыми перемычками, которые вместе с боковыми сторонами плеч вибратора образуют щелевой вибратор, по размерам и форме идентичный электрическому вибратору.
С учетом того, что БАЭ настроена на частоту 10 МГц, длина плеча вибратора (среднего провода) равна 4,8 м, а высота подвеса - 8,1 м. Размер металлической сетки равен 6060 м с шагом 4 м.
Значение развязки между элементами БАЭ на 10 МГц составляет 29,129 дБ. Синтезируем электродинамическую модель полноразмерного триортого-нального антенного элемента (ПТАЭ), настроенного на частоту 10 МГц (рисунке 2.3). ПТАЭ представляет собой три взаимно ортогональных шунтовых вибратора с треугольными плечами, длины которых равны 6,17 м. Высота подвеса ПТАЭ равна 9 м. Антенна располагается на пяти опорах (4 по бокам и 1 по центру), высота которых составляет 16,66 м. Предполагается, что крепление ПТАЭ к опорам осуществляется с помощью диэлектрических оттяжек. Размеры металлической сетки составляют 1818 м с шагом 0,6 м.
Исследование приемных антенных систем на основе кольцевых антенных решеток активных триортогональных излучателей
Анализируя полученные диаграммы направленности, нетрудно убедиться, что данный триортогональный антенный элемент позволяет осуществлять связь как на значительные расстояния по одно- или многоскачковым ионосферным трассам, так и на относительно небольшие расстояния по ионосферным трассам зенитного излучения.
Возможности повышения пропускной способности ДКМВ радиокомплекса путем использования технологии MIMO с поляризационным разнесением на стационарных и быстроразворачиваемых решениях была рассмотрена в подразделе 2.1 (рисунки 2.4 – 2.8). Таким образом, полученные в результате исследования полноразмерного триортогонального антенного элемента электрофизические характеристики позволяют сделать вывод о возможности применения ПТАЭ в составе ДКМВ радиокомплекса.
Для возможности реализации технологии MIMO в случае поляризационного и комбинированного разнесения подканалов в рамках быстроразворачиваемых приемных радиостанций предлагается использование коротких активных триортогональных антенных элементов (ТАЭ).
В данном подразделе рассмотрены основные характеристики короткого триортогонального антенного элемента, разработанного в ОАО «Концерн «Автоматика» УВИР.464634.001, электродинамическая модель которого приведена в подразделе 2.1. (рисунок 2.1). Расчет электродинамических характеристик производился в программном комплексе SAMANT [4, 51].
Триортогональные антенные элементы (ТАЭ), представляют собой короткие (l ) симметричные вибраторы длиной 4 м каждый (состоящие из двух плеч длиной по 2 м каждое), расположенные в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Несомненными преимуществами такой антенны является возможность поляризационного разнесения сигналов, постоянство действующей высоты во всем рабочем диапазоне частот, относительно малые габариты и занимаемая площадь. Данные характеристики свидетельствует о возможности применения таких антенн в составе быстроразворачиваемых радиокомплексов.
Импедансные характеристики и диаграммы направленности для ТАЭ рассчитаны в диапазоне от 5 МГц до 24 МГц.
На рисунках 3.13, 3.14 представлены графики действительной и мнимой частей собственного импеданса вибраторов ТАЭ в зависимости от частоты. Импе-дансы вибраторов, расположенных в горизонтальной плоскости, совпадают в силу симметрии. Учёт влияния подстилающей поверхности на импедансные характеристики производились с помощью металлической конструкции (сетки), размер которой составляет 1818 м с шагом 0,5 м. Нумерация вибраторов в составе ТАЭ проводилась следующим образом: 1- вертикальный вибратор, 2 –горизонтальный вибратор, ориентированный вдоль оси OX, 3 – горизонтальный вибратор, ориентированный вдоль оси OY.
Высокое значение реактивной части и модуля импеданса свидетельствует о малой мощности принимаемого сигнала в тракте антенны относительно полноразмерных решений, поэтому для эффективного применения ТАЭ должна быть дополнена широкополосным антенным усилителем, выполняющим – помимо основной функции – задачу согласования. Таким образом, ТАЭ является активной системой, и ввиду высокой стабильности характеристик современных усилителей, может быть использована во всем ДКМВ диапазоне.
На рисунках 3.15, 3.16 показаны графики действительной и мнимой части взаимного импеданса вибраторов ТАЭ в зависимости от частоты. Как видно из рисунка 3.15, действительная часть взаимного импеданса вибраторов ТАЭ является отрицательной. Случай, когда действительная часть взаимного импеданса является отрицательной, означает, что токи, текущие по активному и пассивному вибратору находятся в противофазе. В данном случае, под активным вибратором будем понимать вибратор, к которому подводится ЭДС, а под пассивным – вибратор без возбуждения. Диаграммы направленности вертикального вибратора ТАЭ, рассчитанные в диапазоне частот 5 - 24 МГц в вертикальной и азимутальной плоскостях показаны на рисунках 3.17 – 3.20. А диаграммы направленности горизонтального вибратора ТАЭ, рассчитанные на тех же частотах в вертикальной и азимутальной плоскостях показаны на рисунках 3.21 – 3.24. Учёт влияния подстилающей поверхности во всех случаях производился с помощью металлической конструкции (сетки).
Разработка технических требований к составным частям приемной триорто-гональной антенной системы
Преимущества активных антенн очевидны: хорошее согласование и постоянство действующей высоты во всем рабочем диапазоне частот, относительно малые габариты, занимаемая площадь и стоимость. Не требуется на радиоцентре строительства опор под полотна антенн, под фидеры и т.п. и, как следствие этого, активные антенны могут применяться в быстроразво-рачиваемом исполнении.
С учетом этого, активные антенны, как правило, располагают на относительно низкой высоте подвеса 2-5 м.
При работе на декаметровой радиолинии протяженностью более 700 км наиболее предпочтительным является вертикальное расположение вибратора активной антенны, т.к. в этом случае максимум диаграммы направленности (ДН) в вертикальной плоскости в большинстве своем соответствует оптимальным углам прихода полезного сигнала.
С практической точки зрения активные антенны целесообразно размещать на металлической опоре, которая обеспечивает соответствующую механическую прочность, грозозащиту, электробезопасность и относительно низкую стоимость.
С точки зрения сохранения антенных характеристик вертикальной симметричной активной внтенны (ДН, КНД) ее целесообразно размещать на диэлектрической опоре, а высокочастотный фидер должен иметь максимально длинный горизонтальный участок, что практически реализовать очень сложно, т.к. диэлектрическая опора должна выдерживать требуемые механические нагрузки, да и реализация горизонтального участка ВЧ фидера достаточно трудоемкая задача.
С этой целью исследовались разработанные триортогональные антенные элементы (ТАЭ). ТАЭ, по сравнению с линейными вибраторами, обладает значительно большими функциональными возможностями: наличие взаимно ортогональных горизонтальных вибраторов позволяет осуществлять эффективный прием на трассах средней и малой протяженности. Одновременно может осуществляться прием как линейно поляризованных радиоволн (вертикальная и горизонтальная поляризация), так и эллиптически поляризованных радиоволн (с разным направлением вращения поляризации). При соответствующем аппаратном обеспечении может быть реализована адаптация по поляризационным характеристикам в реальном масштабе времени.
Усилители таких антенных элементов имеют коэффициент передачи по напряжению в диапазоне рабочих частот 5-7 дБ и динамический диапазон более 100 дБ.
При исследовании ТАЭ одна из них располагалась на деревянной опоре, другая на металлической (рисунок 4.28). Расстояния между опорами примерно 4 м.
В общем случае влияние металлической опоры на вертикальный симметричный вибратор проявляется в искажении токового распределения по вибратору, что может привести к искажению ДН, а при недостаточном симметрировании усилителя – к появлению паразитной однотактной волны на экранирующей оболочке фидера, что также приведет к искажению ДН [38].
Кроме этого, искажение формы ДН при определенных условиях возможно благодаря возбуждению плеч вибратора полем фидера.
Данный эффект здесь мы рассматривать не будем, в силу того, что фидер в случае применения металлической опоры целесообразно прокладывать вдоль нее и далее по земле, поэтому основное влияние в данном случае обусловлено именно металлической опорой, имеющей существенно большее сечение, чем экранирующая оболочка фидера.
Стремление уменьшить размеры антенны должно сопровождаться повышением качества симметрирования, так как при заданной длине фидера антенны эффект проявляется тем сильнее, чем меньше Э.Д.С. принимаемого сигнала, т.е. чем меньше размеры антенны.
Рассмотрим влияние паразитной однотактной волны на искажение ДН, наличие которой обусловлено плохим подавлением синфазной составляющей, определяемой как отношение коэффициентов усиления противотактно-го и однотактного сигналов. В [33] показано, что при хорошем симметрировании подключение внешнего фидера к усилителю не оказывает влияния на основной сигнал и, соответственно, на форму ДН.
Результаты экспериментального исследования подавления синфазной составляющей усилителя ТАЭ в рабочем диапазоне частот приведены на рисунке 4.29. Из графика видно, что усилитель ТАЭ обладает достаточно высоким подавлением однотактной волны, что показывает ее минимальный вклад в искажение ДН.
Было проведено моделирование электродинамическими методами влияния металлической опоры на ДН ТАЭ при различных длинах вибраторов, типах подстилающей поверхности и расстояниях от вибратора до опоры.
Электродинамическое моделирование проводилось с использованием программного продукта FEKO 7.0, основанного на методе моментов. Достоинство метода моментов заключается в том, что он является «методом источника», т.е. дискретизируется только интересующая структура, а не свободное пространство, как при решении уравнений для нахождения поля в объеме.
Аналогичное моделирование проводилось и при помощи программного комплекса SCATER (ПК SCATER), разработанного в ОАО «Концерн «Автоматика» (свидетельство №2013614027). Результаты моделирования достаточно хорошо совпадают.