Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности применения радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями на сложных по структуре трассах 13
1.1. Современные радиосистемы и устройства связи для загородных и горных трасс 13
1.2. Анализ условий распространения электромагнитных волн радио систем связи на загородных и горных трассах с различным ландшафтом
1.3. Простые модели распространения электромагнитных волн на загородных трассах при отсутствии и наличии препятствий 28
1.4. Анализ типовых решений построения антенных устройств для сложной формы загородных и горных трасс 41
Выводы по главе 1 49
Глава 2. Распространение электромагнитных волн на трассах с неоднородной подстилающей поверхностью и горным ландшафтом 50
2.1. Поле излучающего диполя над импедансной поверхностью земли 50
2.2. Модели подстилающей поверхности трассы и лесной растительности и их влияние на процесс распространения электромагнитных волн
2.3. Распространение электромагнитных колебаний на горных трассах с пологими неровностями рельефа 80
2.4. Пассивные ретрансляторы на трассах с горным ландшафтом 92
Выводы по главе 2 101
Глава 3. Разработка антенных устройств радиосистем связи для загородных трасс и горной местности 102
3.1. Анализ условий работы антенных устройств на загородных трассах и в горной местности 102
3.2. Пути повышения эффективности антенных устройств радиосистем связи для загородных трасс 104
3.3. Синтез диаграмм направленности антенных устройств систем связи для загородных и горных трасс
3.4. Разработка конструкций антенных устройств для загородных трасс
Глава 4. Радиосистемы и устройства связи с интеллектуальными антеннами и АФАР и малыми нелинейными искажениями
4.1. Принципы и проблемы функционирования радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями сигналов
4.2. Искажения сигналов в горных радиосистемах связи с АФАР и ИА
4.3. Моделирование диаграммы направленности многолучевых АФАР в радиосистемах связи с малыми искажениями для горных трасс
4.4. Разработка линейных усилительных трактов интеллектуальных антенн и АФАР радиосистем связи
4.5. Экспериментальные исследования разработанных МУМС с устройством «упреждающей линеаризации»
Заключение .
Список литературы
- Простые модели распространения электромагнитных волн на загородных трассах при отсутствии и наличии препятствий
- Анализ типовых решений построения антенных устройств для сложной формы загородных и горных трасс
- Распространение электромагнитных колебаний на горных трассах с пологими неровностями рельефа
- Синтез диаграмм направленности антенных устройств систем связи для загородных и горных трасс
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Усложнение радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями сигналов при наличии многолучевости распространения, включая системы радиосвязи, применяемые на сложных по рельефу загородных трассах и в горной местности, а также требования к миниатюризации аппаратуры, выдвигают на первый план проблему уменьшения габаритов антенн, так как во многих случаях проблема миниатюризации приемо-передающих устройств уже практически решена. Другая проблема при разработке таким радиосистем -снижение энергопотребления, что связано с большими расстояниями обеспечения радиосвязи по трассам. Наиболее перспективными в этом направлении являются управляемые адаптивные антенны, более известные как «интеллектуальные антенны» (ИА) систем подвижной радиосвязи, и активные фазированные антенные решетки (АФАР) с интегрированными (встроенными) в них малогабаритными интегральными усилительными СВЧ-модулями, применяемые в радиолокации, спутниковых системах связи, навигации, спутниковых и авиационных радиосистемах наведения и т.д.
Технологии современных радиосистем и устройств связи с интегрированными СВЧ-схемами и малыми искажениями сигналов при распространении радиоволн на сложных по рельефу загородных трассах и в горном ландшафте находятся в непрерывном совершенствовании. В настоящее время они стали вполне доступными и превратились в удобное средство абонентского доступа. Это превращение основано на применении цифрового диаграммообразования, или цифрового формирования диаграмм направленности (ДН) многолучевых АФАР и интеллектуальных антенн систем радиосвязи.
При этом возникла необходимость создания комплексных интегральных СВЧ-модулей для многолучевых АФАР радиосистем связи с целью реализации их сложных характеристик. Как правило, СВЧ-модули АФАР и интеллектуальных антенн содержат передающие тракты с мощными усилителями многочастотных (групповых) сигналов (МУМС), имеющих ограниченные энергетические ресурсы при наличии многолучевости распространения и удлиненных расстояний в зонах обслуживания.
На сложных по рельефу загородных трассах и в горной местности одной из наиболее серьезных и часто встречающихся проблем является пропадание или полное отсутствие радиосвязи. Подобные ситуации вполне естественны и допустимы, поскольку в таких местах ретрансляторы, а точнее, базовые приемопередающие станции, расположены существенно реже, чем в городе. Но проблему надо решать и для этого можно воспользоваться тремя способами. Первый способ - установка поблизости дополнительной базовой станции или ретранслятора. Второй - повышение КПД и выходной мощности за счет уменьшения нелинейных внутрисистемных искажений. Третий - улучшение
структуры антенных устройств и оптимизация существующих моделей процессов распространения радиоволны на загородных трассах и в горной местности.
Первый отмеченный способ улучшения связи на сложных по рельефу загородных и горных трассах - дорогой и это не всегда осуществимо.
Второй способ. Хотя направленные ИА и АФАР улучшают использование радиоканалов, они не избавлены от двух основных недостатков в многоканальных системах - межканальной и межсимвольной интерференции и наличия нелинейных искажений. За счет того, что стандартные антенны не могут отслеживать местоположение абонента и поэтому должны излучать сигнал большей мощности. Это может повлиять за собой интермодуляцию между своими сигналами или сигналами соседних сот. Для получения больших мощностей МУМС работают в режиме насыщения и поэтому обладают ярко выраженными нелинейными передаточными характеристиками (ПХ): амплитудной (АХ) - зависимостью выходной мощности от входной и фазо-амплитудной (ФАХ) - зависимостью фазы от входной мощности усиливаемого сигнала. Это приводит к появлению интермодуляционных составляющих (ИМС), возникающих в усилительных трактах передатчиков, что вызывает в радиосистемах передачи информации снижение помехоустойчивости, уменьшение пропускной способности, снижение выходной мощности и КПД, увеличение фазовых искажений и пр. Решение этих задач непосредственно связано с обеспечением линейности передающих модулей радиоустройств радиосистем связи с МУМС при ограниченных энергетических ресурсах. Значительный пик-фактор групповых сигналов требует применения линейных МУМС, которые достаточно сложны в изготовлении и имеют очень низкий коэффициент полезного действия, в связи с чем неизбежны дополнительные энергетические затраты на передатчики.
По поводу ИМИ необходимо учитывать, что при связи на загородных трассах удаление от базовых станций или ретрансляторов, как правило, является большим (в городе около 500 м или меньше, за городом 5-10 км), затухание сигнала также большое, поэтому усилитель передатчика работает в форсированном режиме. Естественно, что существенно изменилось внимание к проблемам анализа, расчета и построения АФАР, включающих нелинейную модель МУМС. Интеграция мощных передающих устройств с цифровыми ИА и АФАР имеет много преимуществ по сравнению с пассивными антеннами, например, вследствие увеличения пропускной способности и скорости передачи сообщений системы связи.
Третий способ. Реальная земная поверхность практически везде сложна и слоиста по структуре, поскольку создана из горных пород, обладающих неоднородными электрическими свойствами, имеет сложный рельеф и зачастую покрыта растительностью и т.д. Поэтому вопрос о прогнозировании поля поверхностной электромагнитной волны над реальной земной поверхностью с учетом рельефа местности, растительного покрова и электрических неоднородностей подстилающей среды в настоящее время остается не решенным.
На использовании электромагнитных волн, распространяющихся вблизи земной поверхности, амплитудно-фазовая структура которых достаточно стабильна, основана работа радиотехнических систем радиосвязи, радиовещания, навигации и службы единого времени.
Во многом эффективность применения таких радиотехнических систем связи при наличии многолучевости, межсимвольной интерференции и нелинейных искажений определяют знания закономерностей поведения электромагнитного поля у земной поверхности. Исследования, расчеты поля наземной волны и эксперименты показали, что существующие модели процессов распространения поля земной волны требуют серьезного дальнейшего анализа, уточнения и развития. Тут на помощь могут прийти специализированные антенны для сложных по рельефу загородных и горных трасс. Хотя направленные интеллектуальные антенны и АФАР улучшают использование радиоканалов, они не избавлены от двух основных недостатков в многоканальных системах -межканальной интерференции и наличия ИМС. За счет того, что стандартные антенны не могут отслеживать местоположение абонента и поэтому должны излучать сигнал большей мощности.
Это может вызвать за собой эффект интермодуляции между канальными сигналами или сигналами соседних сот. Поэтому и необходимы специализированные антенны. В связи с этим резко возрастает потребность в новых конструкциях антенн и методиках проектирования, способных обеспечить повышение эффективности радиосистем. Дело в том, что операторы связи могут изменять интенсивность излучения в течение суток или в определенные дни недели. Обычно установленные на базовых станциях интеллектуальные антенны объединяются в антенные решетки с цифровой обработкой сигнала, что позволяет регулировать прием и передачу сигналов. Другими словами, этот тип системы может автоматически изменять направление излучения в ту сторону, где это необходимо. Интеллектуальной антенны и АФАР находят пользователя, отслеживают его перемещение и обеспечивают его оптимальным уровнем радиосигнала, пока он находится в зоне действия данной станции или ретранслятора. Поэтому своевременный учет тонкостей распространения электромагнитных колебаний при выборе местоположения ретранслятора, является важной теоретической и практической задачей.
Эти вопросы тесно и органично связаны между собой, упираются в решение поставленных проблем и представляют собой комплексную задачу. Поэтому тема диссертации, посвященная вопросам построения высокоэффективных многоканальных радиосистем связи с малыми нелинейными искажениями и со специализированными антеннами для загородных и горных трасс, является актуальной.
Диссертация посвящена разработке радиосистем и устройств связи со сложными и управляемыми характеристиками направленности ИА и АФАР, а также развитию и усовершенствованию методики проектирования и оптимиза-
ции параметров таких антенных систем на основе применения электродинамического анализа распространения радиоволн в сочетании с экспериментами.
Целью работы и задачами диссертационного исследования является разработка оптимальных моделей специализированных антенных устройств для повышения эффективности и устройств связи и передачи информации с малыми нелинейными искажениями при распространении электромагнитных волн на сложных по рельефу загородных трассах в горном ландшафте.
Для достижения этой цели в диссертации:
проведен анализ влияния формы поверхности многослойной структуры подстилающей трассы со статистически неровными границами на процесс формирования отраженного электромагнитного поля;
исследованы условия распространения метровых и дециметровых радиоволн на трассах в загородной и горной местности;
проведена сравнительная оценка расчетных и экспериментальных данных для сложных по рельефу загородных и горных радиотрасс в метровом диапазоне, подтвердившая применимость предложенных моделей и методов расчета электромагнитного поля;
разработаны модели специализированных антенных устройств для повышения эффективности радиотехнических систем связи с малыми нелинейными искажениями для загородных и горных трасс.
Областями исследований диссертации являются:
моделирование распространения электромагнитных волн на различных трассах в природных средах и влияние условий распространения и вида подстилающей поверхности на характеристики антенн;
решение внешних дифракционных задач электродинамики для анализа и синтеза высокоэффективных антенн и возможных путей их моделирования и построения;
исследование характеристик антенн для их модернизации, что позволяет создавать высокоэффективную технологию передачи данных на загородных трассах и в условиях горного ландшафта;
изыскание рациональных путей построения, исследование и разработка новых антенных систем с существенно улучшенными параметрами для применения на загородных трассах в горном ландшафте;
принцип интегрирования МУМС в модули передающих ИА и АФАР радиосистем связи с малыми нелинейными искажениями.
Методы исследования. В диссертации использовались аналитический аппарат электродинамики и распространения радиоволн, метод математического моделирования излучающих систем, численные методы решения интегральных уравнений, численные и аналитические методы проектирования специализированных антенных устройств и радиотехнических систем связи с малыми нелинейными искажениями.
Кроме того применялся спектральный анализ групповых усиленных сигналов и методы аппроксимации нелинейных характеристик усилителей мощности цилиндрическими функциями.
Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:
-
Исследовано и проведено моделирование процесса распространения электромагнитных волн на различных сложных по рельефу трассах в природных средах и их влияние на характеристики антенн.
-
Проведен численный анализ структуры электромагнитного поля вблизи места размещения антенной системы для сложных по рельефу загородных и горных трасс.
-
Созданы новые методы моделирования диаграмм направленности АФАР с интегрированными МУМС; разработаны модели специализированных антенных устройств для повышения эффективности радиотехнических систем связи для загородных и горных трасс.
-
Разработаны и испытаны линеаризированные усилительные тракты с малыми нелинейными искажениями, интегрированные в интеллектуальные антенны и АФАР радиосистем и устройств связи.
Практическая ценность. Результаты работы в виде предложенных методов, моделей и технических решений позволяют создать новые антенные системы с существенно улучшенными параметрами для применения на загородных трассах и в горном ландшафте. Предложенные методы, модели и технические решения позволяют учесть распространение радиоволн уже на этапе проектирования радиосистем и устройств связи, что обеспечивает заданную зону покрытия с более качественным обслуживанием и с меньшими энергетическими затратами.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Новые методы исследования и моделирования распространения радиоволн на сложных по рельефу трассах в природных средах и их влияние на характеристики антенных устройств радиотехнических систем связи.
-
Результаты численного анализа структуры электромагнитного поля вблизи места размещения антенных устройств радиотехнических систем связи для сложных по рельефу загородных и горных трасс.
-
Новые методы моделирования диаграмм направленности АФАР и НА с интегрированными МУМС.
-
Линеаризированные усилительные тракты с малыми нелинейными искажениями, интегрированные в интеллектуальные антенны и АФАР радиосистем и устройств связи.
Внедрение результатов работы
Отдельные результаты диссертации применены в институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук.
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре телекоммуникационных систем МИРЭА.
Материалы предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и используются в курсовом проектировании по дисциплинам «Общая теория связи» и «Антенны и устройства СВЧ».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
X, XI и XII Международные научно-практические конференции «Иннова
ции на основе информационных и коммуникационных технологий» (ИНФО). -
Сочи, 1-Ю октября 2013,2014, 2015.
Материалы Международной научно-технической конференции
«INTERMATIC». - МИРЭА, Москва, 1 - 5 декабря 2014.
II Международная научно-практическая конференция «Актуальные про
блемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных
систем» «Радиоинфоком-2015». - МИРЭА, Москва, 14-18 апреля 2015.
Достоверность результатов диссертации. Достоверность результатов подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных характеристик исследуемых устройств.
При проведении диссертационных исследований использованы известные и проверенные математические методы; совпадением результатов с данными, полученными другими авторами, а также актами об использовании результатов диссертации.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 работах, три из которых опубликованы в журналах, входящих в утверждённый ВАК перечень ведущих рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы результаты кандидатских диссертаций. Ещё две статьи в сборниках научных трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников информации, включающего 134 наименования и приложения; содержит 167 страницы текста, 65 рисунков и 3 таблицы.
Личный вклад. Все результаты и положения, составляющие основное содержание диссертации, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.
Простые модели распространения электромагнитных волн на загородных трассах при отсутствии и наличии препятствий
Во многих регионах земного шара предоставление услуг подвижной радиосвязи затруднено из-за национальных особенностей застройки и основного вида сложных по рельефу ландшафтов. Примером таких условий для радиосистем связи может служить Сирийская республика.
Рассмотрим эти особенности. Площадь Сирийской республики составляет около 185,2 тысяч км2. Горная цепь плато Ансаря (Ан-Нусайря) разделяет страну на влажную западную часть и засушливую восточную. Плодородная прибрежная равнина расположена на северо-западе республики Сирия и простирается на 130 км с севера на юг вдоль берега Средиземного моря от турецкой до ливанской границы [21, с.4-12]. Здесь сосредоточено практически все сельское хозяйство страны.
Большая же часть сирийской территории расположена на засушливом плато, испещренном горными цепями Дажабль-ар-Рувак, Джабаль-Абу-Руджмайн и Джабаль-Бишри. Средняя высота горных плато над уровнем моря колеблется от 200 до 700 метров. К северу от гор расположена пустыня Хамад, к югу – Хомс.
Жилая загородная застройка в основном представлена малоэтажными каменными зданиями, расположенными на холмистой местности в окружении гор. При этом в районах жилой застройки достигается высокая плотность населения и большая часть трафика связи связана с этими районами [2, с. 128]. Отметим, что сотовая связь и передача и мультимедийной информации частотного диапазона GSM-900/1800в настоящее время затруднена из-за условий гражданской войны.
В условиях будущего возрождения Сирийской республики многоканальная спутниковая подвижная, радиорелейная и сотовая связь в основном будет создаваться заново из-за появления новых радиосистем передачи информации и связи, передачи данных и систем мультимедиа, из-за замены морально устаревших радиосистем связи и с очевидной необходимостью восстановления разрушенных участков.
При этом должны быть учтены все новейшие достижения в области радиосистем передачи информации, и в том числе систем телекоммуникаций, радиовещания и телевидения, в частности, в адаптации, применении и разработке новых методов территориально-частотного планирования нескольких зон покрытия.
Существующие условия загородной застройки и изрезанности территории из-за преобладающих горных ландшафтов приводят к созданию условий интенсивной многолучевости при образовании каналов мобильной связи, что создает проблемы в обеспечении качества связи и обеспечения условий выполнения хэндовера. Фактически любую радиотрассу при наличии многолучевости распространения можно представить в виде набора нескольких основных путей, по которым сигнал от ретранслятора, или базовой станции доходит до антенны мобильного телефона и наоборот.
На каждом В городских и загородных условиях можно выделить следующие основные элементы: направляющие структуры (проспекты, улицы, участки рек, контактные линии городского электротранспорта и др.); отдельное здание или группы зданий; поверхность Земли и препятствия на ней (неровности поверхности, автомобили, столбы, стены и т.п.); участки растительности (леса, парки, скверы и пр.). Моделирование влияния перечисленных объектов и путей на распространение электромагнитных из этих путей находятся различные объекты, влияющие на распространение электромагнитных волн. волн можно осуществлять двумя основными способами [22, с.15-18; 23, с.236]: детерминированными; статистическими и комбинированными. К первым относят в основном методы геометрической оптики, физической и геометрической теорий дифракции, метод параболического уравнения, а также численные методы электродинамики. Они позволяют произвести расчеты напряженности поля с большой степенью точности, но предъявляют высокие требования к точности задания модели среды.
Статистические методы анализа и расчетов учитывают случайный характер распределения неоднородностей среды, оказывающих влияние на процесс распространения электромагнитных волн. Они позволяют предсказать некоторые средние характеристики сигналов.
Применение современных методов расчета зон покрытия систем подвижной связи обеспечивает высокое качество связи и значительную экономическую выгоду из-за экономии средств на создание сооружений связи с равномерной загрузкой.
При анализе распространения электромагнитных волн в радиоканале системы передачи информации или радиосвязи часто используется модель свободного пространства. В рамках этой модели предполагается, что в канале отсутствуют такие процессы, как отражение, преломление, поглощение, рассеяние и дифракция электромагнитных волн. Если ли же рассматривается распространение электромагнитных волн в земной атмосфере, то она предполагается однородной для распространения радиоволн и удовлетворяющей указанным выше условиям.
Предполагается, что земная поверхность находится достаточно далеко от радиотрассы, так что ее влиянием можно пренебречь. Модель свободного пространства является эталонной при анализе распространения электромагнитных волн на различных трассах. В рамках этой модели энергия сигнала зависит только от расстояния между передатчиком и приемником и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
Анализ типовых решений построения антенных устройств для сложной формы загородных и горных трасс
В соотношениях (2.17) и (2.18) индексы хи /условно показывают, что координаты точек падения отдельных лучей падающей электромагнитной волны и волны, преломленной на первой границе и падающей на вторую границу раздела имеют сдвиг и соответствуют различным координатам точек поверхности.
В интегральных выражениях в различных средах величины, относящиеся к относящиеся к рассеянным отраженным и преломленным электромагнитным волнам, являются неизвестными и могут быть определены при наложении граничных условий. В последних соотношениях, как и ранее, верхние индексы (+) и (-) относятся к волнам, двигающимся вверх и вниз по оси z в соответствии с представленным рисунком 2.6.
Граничные условия выполняются на неровных поверхностях поверхностного и подповерхностного слоев почвы и заключаются в равенстве тангенциальных, относительно реального профиля трассы.
Тогда составляющие напряженностей полей во всех точках поверхностей: Тангенциальные составляющие напряженностей магнитного поля в каждой области анализируемой поверхности связаны тангенциальными составляющими напряженностей электрического поля через импедансные граничные условия Щукина-Леонтовича.
С учетом этого получаем H+=krE+/Z; H =K3L IZ (2.39) n л n л n її n 11 Точные граничные условия уравнений заменяются статистическими, выполняющимися на средней плоскости неровной поверхности, как показано на рисунке 2.5. Для этого функцию, описывающую профиль поверхности представляют в виде разложения в ряд Тейлора по малому параметру - высоте неровностей поверхности. Это позволяет в разложении ограничиться только линейным членом Ех,у = Yx,yEz С ,У + ЛНух. (2.40) Чтобы определить тангенциальные составляющие необходимо учесть вклад от всех составляющих угловых спектров плоских волн в слоях с номерами 0,1 и 1,2 на границах раздела.
Для выполнения сложных математических преобразований уравнений использовались возможности вычислительного пакета Maplesoft Maple 10.0, позволяющего производить символьные вычисления с математическими выражениями [66, 35-56].
Результаты компьютерного моделирования рассеяния электромагнитных волн над поверхностью трассы при разных параметрах приведены на рисунках 2.7 - 2.13 [67, с.83,-87; 68, с.23-26; 69, с.96-100].
Результаты компьютерного моделирования распространения волн Анализ влияния лесной растительности на процесс распространения электромагнитных волн [70, с.134-156; 71, с.67-94; 72, с.56-59;]. Во многих беспроводных системах связи, таких как наземные системы мобильной связи, СВЧ системы дистанционного зондирования Земли, космические навигационные системы GPS и ГЛОНАСС растительность, такая как деревья, кусты может попадать в беспроводные каналы, что влияет на условия связи.
Характеристики канала радиосвязи для таких условий должны быть тщательно изучены, чтобы улучшить надежность, качество связи и спектр используемых радиотехнических средств [73, с.15-34; 74, с.145-146 ; 75, с.1845-1850;]. Листва может препятствовать прямой видимости между передатчиком и приемником системы связи или может заслонять объекты обнаружения от таких средств как РЛС.
Рассеяние и поглощение при распространении электромагнитных волн по многочисленным рассеивателям, таким как ветви и листья кустов и деревьев могут значительно ослабить принимаемый сигнал или изменить направление движения волны. Беспроводной канал становится крайне сложным в этом случае из-за влияния на него лесной растительности.
Существующие эмпирические модели распространения электромагнитных волн в условиях лесной растительности, такие как модель Вайссбергера [76, с.52-55; 77, с.; 78, с.452-457; 79, с.105-113], строятся на основе измеренных данных под специфические экологические условия и системы, и напрямую не учитывают электродинамические процессы связанные с распространением.
Такие ограничения приводят к низкой эффективности и надежности этих эмпирических моделей. С другой стороны, используемые аналитические модели листвы, как правило, являются сильно упрощенными и имеют весьма ограниченные области применения. Например, один тип из типов аналитических моделей рассматривает листву как диэлектрический слой со средней постоянной диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь и используется для применения в методе геометрической оптики для описания интерференции прямого и отраженного луча [80, с.105-113]. Такой упрощенный подход эквивалентен рассмотренной выше модели слоистой подстилающей трассы с использованием формулы Лихтенекера для оценки средней комплексной диэлектрической проницаемости эквивалентного слоя. Такие модели (по сути низкочастотные) эффективны только на низких частотах (менее 250 МГц).
Появившиеся недавно новые, основанные на теории электродинамики модели распространения волн, представляющие лесной покров как смесь стволов, ветвей и листьев, и учитывающие в том числе все важные механизмы взаимодействие электромагнитных волн с этими дискретными рассеивателями представляются более точными, но требуют дальнейшего изучения и анализа. В таких моделях каждая часть рассеивателя описывается простой геометрией с комплексной диэлектрической проницаемостью, пространственным расположением и ориентацией. Статистическая природа структуры лесного массива земной поверхности может быть реализована путем сопоставления размера, расположение и ориентация рассеивателей с определенной априорной вероятностью функции плотности.
Более точное представление о лесной среде может быть разработано с помощью фрактальной геометрии для создания реалистично выглядящих деревьев и размещения отдельных моделей деревьев случайным образом в указанном диапазоне трассы прохождения электромагнитных волны.
. Следует отметить, что такая модель позволяет более точно оценить затухание электромагнитных волны на трассе, но из-за случайной составляющей, связанной с размещением растительности, не позволяет оценить фазовые свойства электромагнитных волн.
Можно представить следующие виды трасс прохождения электромагнитных волны в условиях связи при наличии лесной растительности, как показано на рисунке 2.15.
Распространение электромагнитных колебаний на горных трассах с пологими неровностями рельефа
Очевидно, что плотность мощности вблизи от абонента сильно зависит от его местоположения на данной трассе. Зависимость плотности мощности также сильно зависит от наличия уклонов и изломов подстилающей поверхности. Зависимость значительно усложняется при учете интерференции прямой и отраженной волны и при наличии затухания в растительности или дифракции на препятствиях.
Для повышения эффективности работы радиолиний на загородных трассах с учетом профиля трассы, препятствий и растительности необходимо применение антенн, ДН которых может быть адаптирована к условиям распространения сигнала на трассе.
Аналогом проблемы, рассмотренной в предыдущем материале, является обнаружение воздушных целей, двигающихся на постоянной высоте, в обзорных радиолокационных станциях.
Для повышения надежности обнаружения в РЛС используются антенны, со специальной формой ДН. В таких антеннах значение коэффициента усиления изменяется при изменении углового положения цели так, чтобы принимаемый сигнал имел постоянную амплитуду. Используем такой подход для загородных радиолиний. Будем предполагать, что азимутальный сектор, в котором работает передающая антенна, имеет близкие значения профиля подстилающей поверхности в пределах всех азимутальных углов.
Обозначим профиль высот подстилающей поверхности трассы в системе координат, связанной с точкой установки мачты передающей антенны как (z), тогда плотность мощности, создаваемая передающей антенной вблизи от абонента, будет равна при наличии интерференции, дополнительного затухания, вызванного растительностью и препятствиями в этом выражении добавятся квадраты коэффициентов, учитывающих эти эффекты.
Если потребовать, чтобы плотность мощности вблизи от абонента имела постоянное значение в пределах всех дальностей расположения абонента, из предыдущего выражения следует формула для ДН, которую должна иметь передающая антенна для удовлетворения этому требованию. Здесь А нормирующий коэффициент, выбираемый так, чтобы максимум всего выражения был равен единице. С учетом реального характера профиля подстилающей трассы это выражение предъявляет слишком жесткие требования к форме ДН передающей антенны, которые трудно реализовать на практике.
Кроме того, с учетом возможностей радиосистемы связи по регулировке величины излучаемой мощности, нет необходимости точно реализовывать форму ДН, задаваемую полученным выражением [89, с.2143-2159; 90, с. 56-67; 91, с.154-158]. Достаточно учесть средние параметры, которые встречаются на трассах, для которых подстилающая поверхность имеет уклоны или пологие неровности, как было показано на рисунках 2.5 - 2.6.
Рассмотрим пути реализации формы ДН передающей антенны, полученные в предыдущем параграфе. Задачи такого типа в теории антенн относятся к задачам синтеза [89, с.2143-2159; 90, с. 56-67; 91.с.154-158]. Наиболее разработанными в теоретическом плане методами синтеза антенн являются метод обратного преобразования Фурье и метод парциальных диаграмм. Метод обратного преобразования Фурье основан на том, что для линейного излучателя с непрерывным распределением тока на нем, форма ДН зависит от закона амплитудно-фазового распределения тока согласно соотношению где A - множитель, нормирующий выражение к единице; g(z) - множитель, описывающий закон распределения амплитуды тока вдоль излучателя; ц/(г) -функция, описывающая закон распределения фазы тока вдоль излучателя; z -продольная координата на излучателе; в - угол между направлением, проходящим через начало координат и точкой наблюдения и осью антенны.
Если дополнить закон распределения тока нулевыми значениями до бесконечных значений, что позволяет расширить пределы интегрирования на все возможные значения z, используя комплексное продолжение, отказаться от оператора вычисления модуля и ввести замену переменных kcos в = а, можно записанное соотношение привести к стандартному виду прямого преобразования Фурье. Для него существует обратное преобразование
Синтез диаграмм направленности антенных устройств систем связи для загородных и горных трасс
Анализ и разработка систем линеаризаторов передаточных характеристик широкополосных МУМС.
Разработка линеаризаторов ПХ передатчиков АФАР, предназначенных для повышения линейности усилительных трактов, невозможно без разработки методики анализа нелинейных МУМС. Это связано как с необходимостью оценки линейности МУМС, так и с задачей синтеза линеаризаторов, подавляющих ИМС [131, с.38-43; 132, с.196-200; 133, с.360-361; 134, с.234-236].
Последнее, особенно важно при синтезе линеаризаторов, представляющих собой нелинейный многополюсник, поскольку оптимизация их передаточных характеристик требует многократного проведения анализа в широком диапазоне частот и входных амплитуд. В рамках общей задачи анализа нелинейных искажений многочастотного сигнала в МУМС, возникают три взаимосвязанные частные задачи [132, с.196-200; 133, с.360-361; 134, с.234-236]: определение причин нелинейности и расчет характеристик МУМС; расчет комбинационного спектра на выходе МУМС АФАР при известных АХ и ФАХ; уменьшение нелинейных искажений сигнала. По первой частной задаче можно сделать такое достаточно общее замечание: все нелинейные эффекты в мощных биполярном или полевом транзи 141 сторах и является причиной нелинейных искажений многочастотного сигнала. Например, зависимость диффузионной и барьерной емкостей в биполярном транзисторе является источником существенной неравномерности фазо-амплитудной характеристики.
Известно, что физическая природа работы мощного биполярного или полевого СВЧ-транзистора обусловливает нелинейные искажения сигнала и поэтому эффективно влиять на их источник практически невозможно. Поэтому передаточные АХ и ФАХ МУМС, служащие основой вычисления комбинационного спектра и составляющих ИМИ, рассчитываются по результатам эксперимента.
Вторая частная задача – анализ расчет комбинационного спектра выходного сигнала. В диссертации такой расчет проводится на основе квазистатического спектрального метода, при котором передаточные характеристики МУМС, полученные для односигнального его режима работы, используются и для многосигнального режима.
Третья частная задача – снижение нелинейных искажений усиленного сигнала – решается несколькими способами. На практике довольно сложно выбрать какую-то одну схему линеаризатора, потому что различные схемы коррекции ПХ предлагают оптимизацию по разным показателям: определенная полоса пропускания, требуемая эффективность подавления ИМС, перекрытие по частоте и т.п.
В качестве используемых сейчас систем коррекции ПХ выходных усилителей радиосистем связи для загородных и горных трасс линеаризацию передаточных характеристик с помощью линеаризатора типа «упреждающей линеаризации» (feedforward linearisation, или метод «с прямой связью», или метод «связь вперед») [131, с.38-43; 132, с.196-200; 133, с.360-361; 134, с.234-236].
Решение общей задачи сводится к созданию корректирующей схемы, аргумент комплексной функции передачи которой остается постоянным в широком интервале рабочей полосы. Но на основе известных схемотехнических и конструктивно технологических решений невозможно создать такую цепь.
Практически все современные МУМС включают цифровой линеаризатор. Такой линеаризатор реализуется с применением устройств цифровой обработки групповых сигналов. Он содержит запоминающее устройство, в котором хранится таблица значений корректирующего сигнала для всех возможных значений амплитуды основного сигнала. При прохождении сигнала через линеари-затор с помощью таблицы определяются отсчеты корректирующего сигнала, которые затем суммируются с отсчетами основного сигнала. Линеаризатор может быть также аналоговым. В этом случае в линеаризаторе аппаратными методами формируется составляющие нелинейного преобразования третьего порядка основного сигнала. Затем он суммируется с основным сигналом с определенным коэффициентом передачи и фазовым сдвигом. Таким образом, удается скомпенсировать нелинейные искажения третьего порядка в усилителе мощности.
Любое воздействие, оказываемое на реальное усилительное устройство с целью уменьшения амплитудно-зависимых фазовых сдвигов усиливаемых сигналов неизбежно приводит к более или менее заметному изменению и полезного эффекта, т.е. возможному искажению полезного сигнала, что нежелательно. Создание устройств, в которых полностью устранена АФК и сохранены полезные эффекты во всех условиях эксплуатации технически нереализуемо. В диссертации удалось создать метод и разработать активные и пассивные цепи, в которых проявление нелинейности АХ и наличие АФК ослаблено до такой степени, что искажения невелики и в допустимых пределах сохранены характеристики МУМС. В частности, для минимизации влияния нелинейностей АХ и ФАХ следует: сохранить эффективность воздействия на характеристики МУМС во всем интервале изменения мощности входного сигнала и в пределах полосы пропускания; обеспечить минимальную зависимость динамического диапазона усиления, линейности АХ и равномерности ФЧХ и др. от нелинейных процессов [131, с.38-43; 132, с.196-200; 133, с.360-361; 134, с.234-236].