дослідження впливу флуктуацій фази поля збудження випромінюючої системи на середній ККД передачі СПЕНП із приймальною апертурною антеною;

синтез випромінюючої системи із максимальним середнім ККД передачі для СПЕНП двох типів: із приймальною апертурною антеною і з приймально-випрямною антеною (ректеною) і проведення порівняльного аналізу щодо їхньої ефективності.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше в статистичній постановці вирішена нелінійна задача синтезу випромінюючої системи, що забезпечує максимум середнього ККД СПЕНП із приймальною антеною у вигляді ректени.

2. Вирішена в статистичній постановці задача оптимізації за критерієм максимального середнього ККД випромінюючої системи СПЕНП із приймальною антеною у вигляді круглої апертури.

3. Вивчено вплив флуктуацій фази, породжених різними механізмами, на характер розподілу середньої інтенсивності поля в зоні Френеля круглої сфокусованої апертури при рівномірних і спадаючих амплітудних розподілах поля збудження. Визначено основні закономірності зміни середніх характеристик поля апертурних сфокусованих випромінюючих систем в залежності від параметрів флуктуацій фази різного походження.

4. Досліджено залежності максимального середнього ККД передачі СПЕНП, зазначених у п. 1 і 2, від параметрів флуктуацій фази, а для СПЕНП із приймальною антеною у вигляді апертури і від вигляду амплітудного розподілу останньої.

5. Проведено порівняльну оцінку енергетичної ефективності СПЕНП двох зазначених вище типів.

Практичне значення результатів

1. Розроблені методи синтезу дозволяють провадити розрахунок передавальних апертурних антен СПЕНП, що забезпечують максимальний середній ККД передачі цих систем з урахуванням вимог до точності виготовлення антен і реальних умов функціонування СПЕНП.

2. Одержані співвідношення дають можливість на етапі проектування визначити реальні і гранично досяжні характеристики апертурних випромінюючих систем у зоні Френеля з урахуванням реальних умов їхньої роботи в складі СПЕНП.

3. Отримані результати теоретичних досліджень дозволяють сформулювати обгрунтовані вимоги до допусків і стабільності параметрів випромінюючих систем. Це надто важливо при розробці великих дорогих дзеркальних антен, що працюють у зоні Френеля, у тому числі й у складі СПЕНП.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно одержав основні результати, викладені в дисертації. У статті і доповідях, написаних у співавторстві, авторові належить реалізація алгоритму чисельного рішення задачі статистичного синтезу; складена програма, що реалізує цей алгоритм, і проведений аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і висновки дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на:

2-й Міжнародній конференції по теорії і техніці антен, (Київ, 20-22 травня 1997 р.);

2-ому молодіжному Форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХI столітті”, (Харків, 22-24 квітня 1998 р.)

II-й міській науково-практичній конференції “Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м. Харкова”, (Харків, 17 грудня 1998 р.);

I-ій науково-технічній конференції військ ППО України, (Харків, 10-11 листопада 1999 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 3 статті у Всеукраїнському міжвідомчому науково - технічному збірнику "Радіотехніка" (дві з них переведені та опубліковані в журналі "Telecommunication and Radio Engenering", США), а також є 6 доповідей у матеріалах науково-технічних конференцій.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, 4 додатків, 84 рисунків і 8 таблиць. Дисертація містить 149 сторінок, включаючи додатки об'ємом 27 сторінок, а також список використаних джерел із 92 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність проведених у роботі досліджень, сформульована мета роботи, наукова і практична новизна, а також коротко викладено її зміст.

У першому розділі поданий огляд сучасного стану статистичної теорії лінійних і апертурних антен, у тому числі для зони Френеля. На підставі проведеного огляду показано, що в рамках СТА найбільше повно розглянуті лінійні антени з урахуванням впливу, як правило, випадкових помилок; для них детально вивчені амплітудні, фазові й інтегральні характеристики. Беручи до уваги перспективність розвитку СПЕНП, у яких важливою ланкою є сфокусовані в зону Френеля апертурні антени, визначено коло невирішених питань і показана доцільність їхнього розгляду з урахуванням специфіки функціонування СПЕНП у рамках імовірнісного підходу на основі СТА.

Другий розділ присвячений розробці математичної моделі круглої випромінюючої апертури, сфокусованої в зону Френеля, збуджуюче поле якої реалізується з фазовими помилками (регулярними і випадковими). Необхідно відзначити наступне: у цій роботі використовується термін “діаграма спрямованості” (ДС), що, строго кажучи, можна використовувати для характеристики поля в дальній зоні антени. Однак у більшості робіт, присвячених дослідженню поля в зоні Френеля, під цим терміном мається на увазі розподіл інтенсивності поля у фокальній або в будь-якій іншій площині, що знаходиться в зоні Френеля.

Амплітудний розподіл (АР) поля збудження антени подано у вигляді розкладання в ряд по парних ступенях відносної радіальної координати. На підставі дифракційної теорії Кірхгофа-Френеля отримано вираз для середньої нормованої ДС за потужністю з урахуванням помилок поля збудження, що є вихідним при знаходженні розглянутих у розділі середніх характеристик: середньої інтенсивності поля в максимумі, ширини середньої ДС, розмірів і положення екстремумів середньої ДС.

Дослідження впливу фазових помилок (лінійних, квадратичних, кубічних і випадкових) на параметри середньої ДС проведено для рівномірного і спадаючих (типу парабола на п'єдесталі) амплітудних розподілів. Результати чисельних розрахунків подані у вигляді таблиць і графіків, що ілюструють характер розподілу середньої ДС, значення середньої ДС у максимумі, ширини середньої ДС і екстремумів середньої ДС від параметрів фазових помилок різного походження і відстані від передавальної антени до точки спостереження. Деякі залежності, що дозволяють судити про загальні закономірності поведінки середньої ДС у випадку присутності регулярних і випадкових фазових помилок, для рівномірного АР наведені на рис. 1-4 (у наведених позначеннях (=klsin( ) - узагальнений кут).

Із наведених рисунків видно, що при наявності помилок, незалежно від їхнього вигляду, відбувається розширення головної пелюстки і збільшення рівня бічного випромінювання в порівнянні з випадком, коли помилки відсутні, причому, чим більша величина цих помилок, тим у більшій мірі відбувається погіршення характеристик середньої ДС.

Наявність регулярних фазових помилок (див. рис. 1-3), особливо лінійних і квадратичних, призводить до істотного погіршення ДС антени: зменшення максимуму ДС, розширення головної пелюстки, зростання рівня бічного випромінювання. При наявності лінійних і кубічних помилок відбувається зсув максимумів і мінімумів середньої ДС, чого не спостерігається у випадку квадратичних помилок. Менше за все впливають на характеристики середньої ДС антени кубічні помилки.

Загальні закономірності зміни середньої ДС в залежності від параметрів випадкових помилок (дисперсії і радіуса кореляції ) наступні (див. рис. 4):

при будь-яких радіусах кореляції збільшення дисперсії флуктуацій призводить до розширення головної пелюстки, заповнення нулів, росту бічних пелюсткок (тобто сгладжування ДС) і зниженню рівня середньої потужності, що випромінюється в напрямку головного максимуму;

із зростанням величини радіусу кореляції до деякого значення вказані ефекти проявляються більш яскраво, а потім слабшають і при середня ДС наближається до ДС у відсутності флуктуацій; величина середньої потужності, що випромінюється в напрямку головного максимуму, при цьому монотонно зростає (на рис. 5-7 наведені відповідно деякі залежності відносного розширення, зсуву екстремумів і збільшення рівня бічних пелюсток середньої ДС від зміни величини радіусу кореляції, що ілюструють сказане).

На основі результатів аналізу впливу флуктуацій на характеристики середньої ДС антени визначені вимоги до припустимих параметрів помилок (дисперсії і радіусу кореляції) при проектуванні приймальної антенної решітки СПЕНП. Показано, що відповідно до заданого критерію, при якому рівень поля в напрямку головного максимуму середньої ДС не повинен падати нижче, ніж на 10% у порівнянні з детермінованим випадком, величина дисперсії фазових помилок не повинна перевищувати 0.05?б?0.1, а радіус кореляції варто вибирати с₀?0.5.

У третьому розділі досліджується питання підвищення ефективності СПЕНП при наявності флуктуацій збуджуючого поля на апертурі передавальної антени, коли як приймальну антену застосовують ректену.

Для оцінки ефективності СПЕНП у розглянутому випадку введений середній ККД передачі енергії, визначений таким чином:

, (1)

де - сумарна потужність постійного струму, що виділяється на ректені; - повна потужність, що випромінюється передавальною антеною; - напруженість електричного поля в будь-якій точці Q апертури передавальної антени S₁; - поле в будь-якій точці P ректени S₂, створене полем передавальної антени; - ККД елемента апертури ректени.

Особливість даної екстремальної задачі полягає в тому, що вона нелінійна, бо в підінтегральному виразі чисельника (1) є нелінійною функцією амплітуди напруженості електричного поля в апертурі ректени. З урахуванням цього сформульована і вирішена задача статистичного синтезу оптимального розподілу поля збудження передавальної апертури, яке при заданій статистиці флуктуацій (у випадку малих флуктуацій, коли дисперсія ???1) мало забезпечувати максимум середнього ККД передачі енергії. Відносно статистики флуктуацій при цьому зроблені наступні припущення: флуктуації фази розподілені за нормальним законом з нульовим середнім значенням і однорідні. Коефіцієнт кореляції обраний у гауссовій формі. Прийнято також, що ККД схеми збору приймальної антени не залежить від густоти потоку падаючої енергії на приймально-випрямні елементи ректени і є постійною величиною. У такій постановці задача статистичного синтезу вирішена вперше.

Для вирішення задачі використовується метод, суть якого полягає в заміні рішення нелінійної задачі рішенням послідовності лінійних задач. Кожна з лінійних задач являє собою екстремальну задачу максимізації відношення двох квадратичних форм:

, (2)

де конкретний вигляд матриць , визначається геометрією СПЕНП і параметрами випадкових помилок. Показано, що розв'язувана на кожному кроці ітерацій екстремальна задача має вирішення і воно єдине. Наведено алгоритм реалізації даного ітераційного процесу на основі модифікації ступеневого методу, в результаті чого отриманий власний вектор, елементи якого є коефіцієнти розкладання в ряд по парних ступенях поля збудження передавальної антени, а відповідне йому значення характеристичного числа - максимальний середній ККД СПЕНП.

Результати рішення даної задачі статистичного синтезу дозволили вивчити вплив параметрів флуктуацій (дисперсії і радіусу кореляції) на максимальний середній ККД. Найбільш характерні залежності, отримані при чисельних розрахунках, наведені на рис. 8 - залежність максимального середнього ККД СПЕНП від параметра д (зв'язок із хвильовим параметром = c^1/2) і на рис. 9 - залежність максимального середнього ККД СПЕНП від радіуса кореляції.

Аналіз всієї сукупності результатів дозволив виявити основні закономірності в зміні з_cp,max в залежності від зміни величин параметрів флуктуацій, розмірів антен і відстані між ними. Зокрема показано, що наявність фазових флуктуацій поля на апертурі передавальної антени не змінює характеру залежності максимального середнього ККД СПЕНП з_cp,max від д у порівнянні з випадком, коли флуктуації відсутні з_cp,max(у_У²=0) (рис.8), а призводить до зменшення його потенційно можливої величини з_cp,max. При цьому значення ККД, отримане при статистичному синтезі, більше значення середнього ККД СПЕНП з урахуванням оптимального АР передавальної антени, знайденого при детермінованому синтезі й аналогічних параметрах флуктуацій фази.

Вплив флуктуацій зростає при зміні від 1 до 2 (що відповідає зменшенню відстані L між антеною і ректеною в 4 рази при R₁ і R₂=const). Зменшення відбувається монотонно із збільшенням величин дисперсії фазових флуктуацій, що добре видно на рис.9. Із збільшенням радіуса кореляції вплив флуктуацій на величину максимального середнього ККД слабшає. Найбільше сильно негативний вплив флуктуацій виявляється при малих (але в межах зони Френеля) відстанях L і малих (c?1) радіусах кореляції.

Четвертий розділ присвячений дослідженню шляхів підвищення ефективності СПЕНП при наявності випадкових помилок збуджуючого поля передавальної антени, якщо за приймальну антену використана апертурна антена. Для оцінки ефективності СПЕНП введено середній ККД передачі енергії, визначений у такий спосіб :

, (3)

де f_t0(Q_t), f_r0(Q_r) - амплітудний розподіл відповідно передавальної S_t і приймальної S_r апертур; R(Q_r,Q_t) - відстань між їхніми довільними точками ; k=???? - хвильове число? ? - довжина хвилі у вільному просторі , L - відстань між центрами апертур.

На підставі виразу (3) проведено аналіз і розглянуто шляхи підвищення середнього ККД СПЕНП при різних комбінаціях поля збудження передавальних і приймальних антен з урахуванням заданих параметрів флуктуацій (дисперсії і радіуса кореляції) та хвильового параметра с=2рR_tR_r/лD (R_t, R_r, D - відповідно радіуси передавальної і приймальної антен і відстань між ними). При цьому був досліджений вплив висоти п'єдесталу спадаючих до країв АР і швидкості спадання поля по апертурі з нульовим п'єдесталом (див. табл. 1) на величину середнього ККД передачі енергії.

Показано, що із збільшенням флуктуацій АР випромінюючої системи необхідно зменшувати висоту п'єдесталу. Зменшення висоти п'єдесталу випромінюючої системи призводить до збільшення загального ККД передачі, що еквівалентне більш ефективному узгодженню антен СПЕНП з точки зору передачі енергії. При зміні АР по апертурі від квадратичного до гауссових АР, а значить і швидкості його спадання (див. табл. 1), спостерігається збільшення середнього ККД.

Як ілюстрації на рис.10 наведені залежності середнього ККД передачі СПЕНП як функції хвильового параметру з врахуванням флуктуацій (радіус кореляції с₀=1; дисперсія =0.1 відповідає кривим 1,3,5,7; =0.2 - кривим 2,4,6,8 ) і різних типів поля збудження антен СПЕНП (кривим 1,2 відповідає АР типу ; кривим 3,4 - АР типу ; кривим 5,6 - АР типу ; кривим 7,8 - АР типу з параметром у=6, де - нормований на радіус антени розмір апертури 0?r_n?1).

Для СПЕНП, у якої поле збудження передавальної і приймальної антен одного типу і розподілено за законом Гаусса, найбільший ККД передачі (див. рис.10 і табл. 1) має місце при більш високих значеннях хвильового параметра, але в більш широкому інтервалі його значень у порівнянні з іншими видами збуджень. Це, у свою чергу, еквівалентно тому, що при заданих довжині хвилі і відстані між антенами ефективну передачу енергії з заданим ККД можна реалізувати за допомогою антен, розміри яких більші антен, збуджених, наприклад, за квадратичним або квадратичним на п'єдесталі законами. Для цілей БПЕ найкращими є антени зі спадаючими АР, в загальному випадку різнотипні. Вони менш чутливі до умов взаємного розміщення антен СПЕНП при допустимих значеннях ККД передачі.

Сформульована і вирішена задача статистичного синтезу оптимального АР поля збудження передавальної антени СПЕНП, що при заданій статистиці флуктуацій (розглянуто випадок малих флуктуацій, коли дисперсія ????) і заданому полі збудження приймальної антени забезпечує максимальний середній ККД передачі. Дана задача являє собою лінійну екстремальну задачу максимізації відношення двох квадратичних форм (2), де конкретний вид матриць також визначається геометрією СПЕНП, параметрами випадкових помилок і параметром розподілу Гаусса ? поля збудження приймальної антени. Шукане рішення для поля збудження передавальної антени, яке забезпечує максимальне значення середнього ККД СПЕНП, подано у вигляді власного вектора, елементи якого - коефіцієнти розкладання в ряд по циліндричним функціям, а відповідне йому значення характеристичного числа - максимальний середній ККД СПЕНП.

На підставі виразів (2-3) досліджено вплив параметрів флуктуацій оптимального поля збудження (дисперсії і радіуса кореляції), параметра розподілу Гаусса приймальної антени ? і хвильового параметра с, враховуючого геометрію СПЕНП (розміри антен і відстань між ними) на максимальний середній ККД. Показано, що флуктуації не змінюють загального вигляду залежності середнього ККД, а ведуть до зменшення його потенційного значення в порівнянні з детермінованим випадком (так, на рис 11 наведена залежність відносного зниження ККД Дз_ср=(з₀-з_ср)?з₀ від величини радіуса кореляції помилок, де з₀ - ККД при відсутності флуктуацій). У прийнятих позначеннях параметр г₀= L_F ?L_FZ - відношення відстані L_F, на якій взаємно сфокусовані антени СПЕНП на відстань до межі дальньої зони, прийнятої у вигляді L_FZ =8R²?л. Величина г₀ зв'язана з числом Френеля співвідношенням =р?4c. Крім того, в залежності від початкових параметрів СПЕНП (відстані між антенами, вигляду збудження приймальної антени і т.д.) окремі значення випадкових помилок передавальної антени призводять до найбільшого зменшення середнього ККД (радіус кореляції становить при цьому величину с₀=0.4-0.5). Для одержання максимально можливого середнього ККД СПЕНП у такій ситуації поле збудження приймальної антени варто реалізувати з деяким заданим п'єдесталом, адаптуючи тим самим СПЕНП до цих помилок (рис.12). При збільшенні дисперсії помилок розподіл поля збудження приймальної антени необхідно наближати до рівномірного АР.

Визначено вимоги до точності виготовлення поверхні дзеркал передавальних антен деяких СПЕНП при заданому припустимому рівні зменшення середнього ККД у порівнянні з його потенційно можливим значенням.

Проведена порівняльна характеристика щодо ефективності розглянутих СПЕНП (рис.13). Робота СПЕНП з приймальною спрямованою апертурною антеною, навантаженою на потужний випрямляч, більш ефективна на малих відстанях у порівнянні з СПЕНП, де як приймально-випрямна антена виступає ректена; при рознесенні антен СПЕНП цих двох різновидів їхня ефективність стає приблизно однаковою.

У висновку наведені результати досліджень і сформульовані загальні висновки по роботі.

У додатку наведені проміжні викладання, необхідні при рішенні задач: статистичного синтезу оптимального поля збудження передавальної апертури при заданої статистиці флуктуацій, а також для находження розподілу середньої інтенсивності поля в зоні Френеля круглої сфокусованої апертури.

ВИСНОВКИ

Отримані вирази для середньої інтенсивності поля в зоні Френеля випромінюючої системи (ВС) у вигляді сфокусованої круглої апертури, поле збудження якої реалізується з флуктуаціями фази різного походження (випадковими і регулярними). Вивчено розподіл середнього квадрата поля (середньої інтенсивності) у фокальній площині і вперше детально досліджено закономірності зміни параметрів, що характеризують цей розподіл (значення інтенсивності поля в максимумі, ширина головної пелюстки, положення і значення бічних пелюсток) в залежності від параметрів флуктуацій для різних їхніх типів при рівномірних і спадаючих амплітудних розподілах. Виявлено, що найбільш сильний вплив на розподіл середньої інтенсивності роблять регулярні лінійні і випадкові фазові помилки, а мінімальне - кубічні регулярні помилки.

Досліджено залежності значення середнього ККД передачі СПЕНП із приймальною апертурною антеною від параметрів флуктуацій поля збудження передавальної антени, хвильового параметра (числа Френеля, що враховує розміри і відстані між антенами), а також вигляду амплітудного розподілу на них. Знайдено, що поява флуктуацій фази може привести до значного (до 20-27%) зменшення потенційно можливого значення середнього ККД. Показано, що кращими з погляду одержання найбільшого середнього ККД передачі енергії є застосування антен з однотипними АР, що описуються законом Гаусса. Однак у деяких випадках доцільним виявляється використання антен із спадаючими різного типу АР поля збудження. При цьому ККД передачі хоч і дещо менший (на 7-14%) у порівнянні з випадком однотипних гауссових АР, але його задані значення можуть забезпечуватися в більш широкому інтервалі значень числа Френеля с (тобто менш критичні до зміни відстані між передавальною і приймальною антенами).

Вперше в статистичній постановці сформульована і вирішена нелінійна задача синтезу передавальної апертурної антени СПЕНП із максимальним середнім ККД передачі за умови, що приймальною антеною є ректена. Знайдено, що наявність фазових флуктуацій призводить до зменшення значення максимального середнього ККД у порівнянні з максимальним ККД при їх відсутноті. Однак цей ККД вищий, ніж середній ККД СПЕНП, у якої на передавальній антені реалізоване оптимальне АР, знайдене при детермінованому синтезі, а параметри флуктуацій фази такі самі, як і в першому випадку. Виявлено залежності максимального середнього ККД від дисперсії і радіуса кореляції випадкових фазових помилок, а також значень числа Френеля (враховуючи розміри антен і відстань між ними).

Вперше в статистичній постановці вирішена задача оптимізації передавальної антени за критерієм максимуму середнього ККД передачі СПЕНП, за умови, що як приймальна використовується апертурна антена із заданим АФР. Виявлено основні закономірності зміни значення максимального середнього ККД у випадку, якщо АР приймальної антени описується законом Гаусса. Показано, що відповідним вибором параметра Гаусса у АР приймальної антени при оптимальному АР передавальної антени можна підвищити максимальний середній ККД передачі СПЕНП при заданих параметрах флуктуацій фази, розмірах і відстані між антенами, тобто можливо адаптувати СПЕНП до конкретного типу флуктуацій і розміру їхніх параметрів. Так, при наявності випадкових фазових помилок із радіусом кореляції 0.4-0.5 із зростанням їх дисперсії для збільшення максимального середнього ККД передачі СПЕНП амплітудні розподіли на приймальній антені необхідно наближати до рівномірного.

Визначено вимоги до точності виготовлення передавальних антен, що входять до складу деяких СПЕНП з урахуванням припустимого рівня зменшення середнього ККД не більше, ніж на 5%. Для передавальних антен СПЕНП за допуск прийнято величину відхилення поверхні дзеркала, що не перевищує з імовірністю 99% величини теоретичного значення профілю. Показано, що виготовлення антенних дзеркал передавальних великоапертурних антен СПЕНП на робочій частоті f₀=2.45 ГГц не потребує спеціальних технологічних вимог, воно відповідає реальним можливостям виробництва. Вимоги до точності виготовлення дзеркал посилюються для антен СПЕНП, що працюють у Ка діапазоні; середньоквадратичне відхилення поверхні дзеркала при цьому становить близько 200 мкм. При збільшенні хвильового параметра с, що еквівалентно зменшенню відстані між передавальними і приймальними антенами (при незмінних їхніх розмірах) вимоги до точності виготовлення дзеркала передавальної антени СПЕНП помітно знижуються. Дано рекомендації щодо припустимих параметрів флуктуацій для приймальної антенної решітки СПЕНП з урахуванням зменшення середньої інтенсивності поля в напрямку головного максимуму не більше, ніж на 10% у порівнянні з детермінованим випадком. Показано, що дисперсія флуктуацій помилок фази в цьому випадку припустима в межах 0.05?б?0.1, а радіус кореляції варто вибирати з умови c₀?0.5. Виявлено, що СПЕНП із приймальною апертурною антеною доцільно використовувати на малих відстанях (г₀=0.2-0.4) у порівнянні з СПЕНП, де як приймальна антена використовується ректена. Виграш тут досягається за рахунок зменшення розмірів приймальної апертури при збереженні енергетичних характеристик у заданих межах. При віддаленні антен порівнюваних СПЕНП (г₀?0.5) їх ККД стають приблизно однаковими.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ТА АПРОБАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Должиков В.В., Лихограй В.Г. Оптимизация тракта передачи энергии СВЧ лучом при наличии случайных ошибок поля возбуждения передающей антенны // "Радиотехника", Всеукр. межвед. н.-техн. сб.-1997.-вып.104.-С.158-168. (Dolzhikov V.V., Likhograi V.G. Optimizing Power Transmission by Microwave Beam in the Presence of Random Errors of the Transmit Antenna Excitation // Telecommunication and Radio Engineering.-1997.-Vol.51, №4.- P.46-52.)

Лихограй В.Г. Влияние флуктуаций АФР на эффективность передачи энергии двух круглых апертурных антенн в зоне Френеля // "Радиотехника", Всеукр. межвед. н.-техн. сб.-1998.-вып.106.-С. 109-119.

Лихограй В.Г. Оптимизация системы передачи энергии, состоящей из двух круглых апертурных антенн, при флуктуациях возбуждающего поля передающей антенны //"Радиотехника", Всеукр. межвед. н.-техн. сб.-1998.-вып.107.-С. 12-23. (Likhograi V.G. The Effect of Amplitude-Phase Distribution Fluctuation on the Efficiency of SHF - Energy Transmission between Circular - Aperture Antennas in Fresnel Zone //Telecommunication and Radio Engineering.- 1997.- Vol.51, №11.- P.73-80.)

Dolzhikov V.V., Likhograi V.G. Effect of Random Phase Errors on the Radiation Intensity of the Focused Circular Aperture // Proc. Second International Conf. On Antenna Theory and Techniques.- Kyiv (Ukraine).- 1997.- P.5-7.

Dolzhikov V.V., Likhograi V.G. Maximum Efficiency of a Beamed Microwave Power Transmission at the Presence of Fluctuations of the Transmitting Antenna Illuminations // Proc. Second International Conf. On Antenna Theory and Techniques.- Kyiv (Ukraine).-1997.- P.329-330.

Лихограй В.Г. Оптимизация системы передачи энергии круглых апертурных антенн при флуктуациях возбуждающего поля передающей антенны в зоне Френеля //Труды II-ой городской научно-практической конференции “Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых г. Харькова”.- Харьков.- 1998.- С.52-55.

Лихограй В.Г. КПД системы передачи СВЧ энергии при флуктуациях поля возбуждения передающей антенны //Доклад на 2-ом молодежном форуме “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”.- Харьков, 22-24 апреля 1998.

Лихограй В.Г. Доклад на 1-ой НТК войск ПВО Украины.- Харьков.- ХВУ, 10-11 ноября 1999.

Лихограй В.Г. Доклад на 1-ой НТК войск ПВО Украины.- Харьков.- ХВУ, 10-11 ноября 1999.

АНОТАЦІЇ

Лихограй В.Г. “Аналіз і оптимізація характеристик поля в зоні Френеля апертурних випромінюючих систем із флуктуаціями фази поля збудження”. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико - математичних наук за фахом 01.04.03 - радіофізика - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 2001.

Дисертація присвячена аналізу та оптимізації передавальних апертурних антен, амплітудно-фазовий розподіл (АФР) яких реалізовано з помилками, для систем передачі енергії НВЧ променем (СПЕНП) із приймальними антенами двох типів: ректеною й апертурною антеною із заданим АФР. Вивчено вплив лінійних, квадратичних, кубічних і випадкових фазових помилок на розподіл середньої інтенсивності поля у фокальній площині апертурної випромінюючої системи і досліджені закономірності зміни параметрів, що характеризують цей розподіл (значення інтенсивності поля в максимумі, ширина головної пелюстки, положення і значення бічних пелюсток) для рівномірного і спадаючих до країв амплітудних збуджень. Досліджено вплив флуктуацій збуджуючого поля передавальної антени в складі СПЕНП із приймальною апертурною антеною і виявлені залежності середнього ККД передачі СПЕНП від параметрів флуктуацій, числа Френеля і вигляду поля збудження антен. Вирішено задачі статистичного синтезу оптимального поля збудження передавальної антени СПЕНП за критерієм максимуму середнього ККД передачі при заданій статистиці флуктуацій для приймальних антен зазначених типів. З урахуванням отриманих даних визначені вимоги до припустимих параметрів помилок при виробництві антен деяких проектів СПЕНП, зроблено порівняльний аналіз СПЕНП із різними приймальними антенами з точки зору їх ефективності.

Ключові слова: система передачі енергії НВЧ променем, поле збудження, дисперсія помилок, радіус кореляції помилок, середня діаграма спрямованості, середній коефіцієнт передачі енергії.

Лихограй В.Г. “Анализ и оптимизация характеристик поля в зоне Френеля апертурных излучающих систем с флуктуациями фазы поля возбуждения”. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена анализу и оптимизации передающих апертурных антенн, амплитудно-фазовое распределение (АФР) которых реализовано с ошибками, для систем передачи энергии СВЧ лучом (СПЭСЛ) с приемными антеннами двух типов: ректенной и апертурной антенной с заданным АФР.

Получены выражения для средней интенсивности поля в зоне Френеля излучающей системы в виде сфокусированной круглой апертуры, поле возбуждения которой имеет равномерное и спадающее АР с учетом ошибок фазы различного происхождения (случайными и регулярными). Изучено распределение среднего квадрата напряженности электрического поля (средней интенсивности) в фокальной плоскости и исследованы закономерности изменения параметров, характеризующих это распределение (значение интенсивности поля в максимуме, ширина главного лепестка, положение и значение боковых лепестков) в зависимости от параметров флуктуаций для различных их типов при равномерном и спадающем амплитудном распределениях. Выявлено, что наиболее сильное влияние на распределение средней интенсивности оказывают регулярные линейные и случайные фазовые ошибки, а минимальное - кубические регулярные ошибки.

Сформулирована и решена нелинейная задача статистического синтеза передающей апертурной антенны СПЭСЛ с максимальным средним КПД передачи при условии, что приемной антенна является ректенна. В результате решения данной задачи показано, что наличие фазовых флуктуаций приводит к уменьшению значения максимального среднего КПД по сравнению с максимальным КПД в их отсутствие. Исследованы зависимости максимального среднего КПД от дисперсии и радиуса корреляции случайных фазовых ошибок, а также значений числа Френеля (учитывающего размеры антенн и расстояние между ними).

В статистической постановке решена задача оптимизации передающей антенны по критерию максимума среднего КПД передачи СПЭСЛ, при условии, что в качестве приемной используется апертурная антенна с заданным АФР. Выявлены основные закономерности изменения значения максимального среднего КПД в случае, если АР приемной антенны описывается законом Гаусса. Показано, что соответствующим выбором параметра Гаусса у АР приемной антенны при оптимальном АР передающей антенны можно повысить максимальный средний КПД передачи СПЭСЛ при заданных параметрах флуктуаций фазы, размерах и расстоянии между антеннами, т.е. адаптировать СПЭСЛ к конкретному типу флуктуаций и величине их параметров. При наличии случайных фазовых ошибок с радиусом корреляции 0.4-0.5 и ростом их дисперсии для увеличения максимального среднего КПД передачи СПЭСЛ АР приемной антенны необходимо приближать к равномерному.

Исследованы зависимости значения среднего КПД передачи СПЭСЛ с приемной апертурной антенной от параметров флуктуаций поля возбуждения передающей антенны, волнового параметра (числа Френеля, учитывающего размеры и расстояния между антеннами), а также вида амплитудного распределения на них. Показано, что появление флуктуаций фазы может привести к значительному (до 20-27%) уменьшению потенциально возможного значения среднего КПД. Предпочтительными при этом с точки зрения достижения наибольшего среднего КПД передачи энергии является применение антенн с однотипными АР, описываемыми законом Гаусса. В некоторых случаях оказывается целесообразным использование антенн со спадающими разнотипными АР поля возбуждения. КПД передачи при этом, хотя и несколько меньше (на 7-14%) по сравнению со случаем однотипных гауссовских АР, но его заданные значения могут обеспечиваться в более широком интервале значений числа Френеля с (т.е. СПЭСЛ менее критична к изменению расстояния между передающей и приемной антеннами).

Определены требования к точности изготовления передающих антенн, входящих в состав некоторых СПЭСЛ с учетом допустимого уровня уменьшения среднего КПД не более чем на 5%. Показано, что при изготовлении антенных зеркал передающих крупноапертурных антенн СПЭСЛ на рабочей частоте f₀=2.45 ГГц не нужны специальные технологические требования - они соответствуют реальным возможностям производства. Для антенн СПЭСЛ, работающих в Ка диапазоне, требования к точности изготовления зеркал ужесточаются: среднеквадратическое отклонение поверхности зеркала при этом составляет около 200 мкм. Определено, что СПЭСЛ с приемной апертурной антенной целесообразно использовать на малых расстояниях (г₀=0.2-0.4) по сравнению со СПЭСЛ, где в качестве приемной антенны используется ректенна. Выигрыш здесь достигается за счет уменьшения размеров приемной апертуры при сохранении энергетических характеристик в заданных пределах. При удалении антенн сравниваемых СПЭСЛ (г₀?0.5) их КПД становятся примерно одинаковыми.

Ключевые слова: система передачи энергии СВЧ лучом, поле возбуждения, дисперсия ошибок, радиус корреляции ошибок, средняя диаграмма направленности, средний коэффициент передачи энергии.

Likhograi Vasily G. The analysis and optimization of the field performances in the Fresnel zone of aperture radiation systems with phase fluctuations of the field excitation - Typescript.

Thesis on competition of a academic degree of the Kandidate of Physical and Mathematical Sciences on a speciality 01.04.03 - radiophysics.

The Kharkov State Radio and Electronics Technical University, Kharkiv, 2001.

The thesis is devoted to the analysis and optimization of transmitting aperture antennas, the amplitude and phase distribution (АРD) of which is realized with errors for power transmission system by a microwave beam (PTSMB) with receiving antennas of two types: rectenna and aperture antenna with specific APD. The influence of linear, quadratic, cubic and casual (random) phase errors on the average intensity of a field distribution in a focal plane is investigated. The regularities of parameter modification describing this distribution (a value of field intensity in a maximum radiation direction, main beam width, position and levels of the side lobe extremums) for uniform and falling down to edge aperture distributions are investigated. The influence of excitation field fluctuations of a PTSMB transmitting antenna with a receiving aperture antenna is investigated and the dependence of average efficiency of a PTSMB transmission from parameters of fluctuations, wave parameter and type of aperture distribution are detected. The tasks of statistical synthesis of an optimum aperture distribution of a PTSMB transmitting antenna on a criterion of a maximum average efficiency of transmission are solved for a given parameters of fluctuations receiving antennas of indicated types. With consideration of obtained data the tolerances of antennas production of some PTSMB projects are defined and the comparative analysis of PTSMB with various receiving antennas from a point of view of their effectiveness is conducted.

Key words: a power transmission system by a microwave beam, excitation field, variance of errors, radius of errors correlation, average power pattern, average transmission factor of an energy.

Размещено на Allbest.ru