Широкодіапазонна антенна система для рухомих об'єктів коротких хвиль радіозв'язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки

УДК 621.396.67

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ШИРОКОДІАПАЗОННА АНТЕННА СИСТЕМА

ДЛЯ РУХОМИХ ОБ'ЄКТІВ КОРОТКИХ ХВИЛЬ РАДІОЗВ'ЯЗКУ

Мамедов Нізамаддін Іса-огли

Одеса 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та зв'язку України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Проценко Михайло Борисович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, зав. кафедрою технічної електродинаміки та систем радіозв'язку

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Баранов Порфирій Юхимович, Одеський національний політехнічний університет, зав. кафедрою радіотехнічних систем, директор інституту радіоелектроніки та телекомунікацій

кандидат технічних наук, Громоздін Валентин Володимирович, директор ТОВ «Адалін», м. Севастополь

Захист відбудеться 23 вересня 2010 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова, за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1, ауд. 223.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

Автореферат розісланий 6 серпня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., доц. Т.А. Цалієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

широкодіапазонний малогабаритний антена

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку телекомунікацій важливу роль в організації систем і мереж радіозв'язку продовжують відігравати радіохвилі декаметрового діапазону -- короткі хвилі (КХ). До основних переваг КХ радіозв'язку слід віднести оперативність установлення прямого зв'язку на великі відстані, можливість забезпечення зв'язку через великі труднодоступні простори, високу мобільність засобів КХ радіозв'язку і, відповідно, простоту організації радіозв'язку з рухомими об'єктами, досить просту відновлюваність зв'язку у разі порушення та низьку вартість одного каналу на кілометр дальності зв'язку. Не дивлячись на це, КХ радіозв'язку властиві також і недоліки, такі як обмежена ємкість використовуваного діапазону частот, різка зміна загасання та різний характер завмирань сигналів на трасах радіозв'язку. Крім того, системи КХ радіозв'язку характеризуються чутливістю до випадкових і навмисних завад, малим відношенням швидкості передавання до займаної смуги частот, значною доступністю для засобів радіоперехоплення та одночасно малим відношенням сигнал/завада в точці прийому.

Сьогодні з великої кількості напрямів досліджень і досягнутих успіхів у підвищенні ефективності КХ радіозв'язку особливе місце займає розробка нових ефективних КХ антен, зокрема, для рухомих об'єктів КХ радіозв'язку.

Антени -- невід'ємна частина будь-якої радіосистеми, саме ними визначається ефективність радіосистеми за заданих обмеженнь на її параметри та характеристики (потужність передавача, чутливість приймача і так далі). Антени можуть ефективно випромінювати (приймати) радіосигнали при виконанні наступних умов: ефективна площа апертури досить велика, втрати в антенах і узгоджуючих пристроях -- малі. У КХ діапазоні (3…30 МГц) довжина хвилі значно велика (100...10 м), а абсолютні розміри антен обмежені місцем їх розташування. Тому відносні розміри реальних антен при установленні їх на рухомі об'єкти малі. Через малі їх відносні розміри ефективність антен (випромінююча здатність, діюча довжина) теж мала. Простий шлях збільшення ефективності реальних КХ антен -- збільшити їх габаритні розміри -- не прийнятний у зв'язку з обмеженнями на місце їх установлення. Тому потрібний новий підхід до розробки таких антен, що визначило актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, представлені в дисертаційній роботі, є складовою частиною науково-дослідних робіт, що проводяться на кафедрі технічної електродинаміки та систем радіозв'язку Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства транспорту та зв'язку України і Міністерства освіти і науки України.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження та розробка широкодіапазонної антенної системи для рухомих об'єктів КХ радіозв'язку, включаючи виявлення закономірностей та особливостей формування поля випромінювання, частотної зміни вхідного опору малогабаритного рамкового випромінювача з двоточковим збудженням; отримання на цій базі нового технічного рішення антенної системи з поліпшеними характеристиками.

Відповідно до зазначеної мети в роботі ставляться наступні основні завдання наукових досліджень:

1) Аналіз і узагальнення результатів досліджень та розробки широкодіапазонних малогабаритних антен, формулювання методів реалізації аналізованих властивостей антен (широкодіапазонність, малогабаритність, ефективність).

2) Аналіз методів і особливостей розрахунку характеристик тонкодротових антен.

3) Розробка нових математичних моделей для опису характеристик рамкової антени еліптичної форми з двоточковим збудженням, а саме:

— математична модель вхідного опору рамкової антени з двоточковим збудженням;

— математична модель хвильового опору еліптичної рамкової антени;

— математична модель поля випромінювання еліптичної рамкової антени з двоточковим збудженням.

4) Розрахунок і аналіз характеристик еліптичної рамкової антени з двоточковим збудженням.

5) Розробка математичної моделі широкодіапазонного фазообертача для використання його як пристрою збудження двовходової рамкової антени.

6) Макетування та проведення експериментальних досліджень.

Об'єктом досліджень є електромагнітні явища при збудженні та випромінюванні широкодіапазонними малогабаритними антенами.

Предметом досліджень є еліптична рамкова антена з двоточковим збудженням стосовно для розміщення її на рухомому об'єкті.

Методи досліджень. У дисертаційній роботі використаний математичний апарат електродинаміки та методи теорії антен, включаючи метод еквівалентних схем для аналізу вхідного опору антени та характеристик широкодіапазонного фазообертача, метод середнього потенціалу (метод Хоу) для розрахунку хвильового опору антени, узагальнений метод наведених ЕРС для аналізу амплітудно-фазового розподілу струму уздовж випромінюючого провідника рамкової антени, метод векторного потенціалу для розрахунку й аналізу характеристик випромінювання антени, а також методи вимірювання характеристик антени з використанням стандартного устаткування.

Наукова новизна визначається наступними отриманими результатами:

1) Вперше отримані математичні співвідношення для аналізу вхідного опору рамкового випромінювача за довільного двоточкового збудження його входів з використанням змінних, що визначають вхідні опори рамкового випромінювача за «короткого замикання» та «холостого ходу» одного з його входів.

2) Отриманий новий математичний вираз для розрахунку й аналізу хвильового опору рамкового випромінювача еліптичної форми.

3) Отримана нова математична модель поля випромінювання рамкової антени еліптичної форми з двоточковим збудженням.

4) Дістало подальшого розвитку теорія та практика широкодіапазонних фазообертачів на фазових контурах другого порядку для використання їх в якості пристроїв збудження двовходової рамкової антени.

Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному:

1) На основі узагальненого методу наведених ЕРС розроблений алгоритм розрахунку характеристик рамкового випромінювача з двоточковим збудженням і його програмна реалізація.

2) Проведені дослідження характеристик рамкового випромінювача з двоточковим збудженням, згідно з якими виявлені нові властивості, такі як широкодіапазонність по вхідному опору, спрямованість випромінювання за малих габаритних розмірів антени.

3) Розроблена методика розрахунку фазових контурів; проведений розрахунок, аналіз й оптимізація характеристик пристрою збудження двовходової рамкової антени у вигляді широкодіапазонного фазообертача на фазових контурах другого порядку.

4) Розроблена антенна система з поліпшеними характеристиками стосовно використання її на рухомих об'єктах КХ радіозв'язку.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є науковим дослідженням, проведеним особисто автором. З опублікованих у співавторстві результатів в дисертаційній роботі використані тільки ті, які отримані автором особисто. До даних результатів можна віднести аналіз методів розв'язання інтегральних рівнянь для розрахунку розподілу струму уздовж криволінійних випромінюючих структур, розвиток узагальненого методу наведених ЕРС і розробка на його основі оригінальної методики (алгоритму) розрахунку рамкових антен з двоточковим збудженням, реалізація пакета програм для чисельного аналізу рамкових антен, розробка еквівалентної схеми рамкового випромінювача еліптичної форми за довільного двоточкового збудження його входів, отримання математичних співвідношень для розрахунку й аналізу хвильового опору, характеристик випромінювання такої антени, розробка математичної моделі широкодіапазонного фазообертача на фазових контурах другого порядку та методики розрахунку елементів фазових контурів, обробка й аналіз отриманих результатів, виявлення особливостей та їх інтерпретація, формулювання висновків. Особистий внесок здобувача визначений в переліку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися та обговорювалися на наступних конференціях: 3-й, 5-й і 6-й міжнародних молодіжних науково-технічних конференціях «Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій» (м. Севастополь, 2007, 2009 і 2010 рр.); XI, XIII і XVI міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка і молодь в XXI столітті» (м. Харків, 2007, 2009 і 2010 рр.); міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми сучасної радіотехніки, телебачення і зв'язку» (м. Баку, 2007 р.); International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting (Charleston, SC, USA, 2009 р.); науково-методичній конференції «Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій» (м. Львів, 2009 р.); III міжнародному науково-технічному симпозіумі «Нові технології в телекомунікаціях» (Вишків, Івано-Франківськ, 2010 р.); 4-й міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми телекомунікацій» (м. Київ, 2010 р.).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 17 наукових праць, зокрема 6 статей в спеціалізованих виданнях, що входять у перелік ВАК України, та 11 робіт у матеріалах міжнародних науково-технічних і науково-методичної конференціях, форумах і симпозіумах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Загальний обсяг дисертації складає: 140 сторінок комп'ютерного тексту, у тому числі: 26 рисунків (9 сторінок містять тільки рисунки), 1 таблиця. Список використаних джерел містить 81 найменування на 11 сторінках, додаток представлений на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначений зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та завдання дослідження, предмет і об'єкт досліджень, представлені використовувані методи, визначена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, особистий внесок автора, представлені відомості про апробацію и публікації автора, обсяг та структура дисертації.

У першому розділі дисертаційної роботи - «Аналітичний огляд сучасного рівня проектування широкодіапазонних малогабаритних антен КХ діапазону» - проведені аналіз напрямів розвитку КХ радіозв'язку, обґрунтування методу побудови КХ антени, а також аналіз методів розв'язування інтегральних рівнянь в завданнях збудження рамкових антен.

Показано, що підвищення ефективності КХ радіозв'язку можливо, зокрема, за рахунок розробки нових ефективних КХ антен .

На підставі аналізу й узагальнення результатів досліджень і розробки широкодіапазонних малогабаритних антен сформульовані методи збільшення діапазону частот, зменшення габаритних розмірів і збільшення ефективності випромінювання дротяних антен. Відмічено, що кожен із методів стосовно для антен КХ діапазону має ряд принципових обмежень. Тому виникає необхідність у використанні комплексного методу, що включає метод широкодіапазонної компенсації реактивної та активної складових вхідного опору і різноманітні види комбінованих методів, методи синфазного і несинфазного додавання полів від різних елементів конструкції. Практична реалізація даних методів може бути виконана на основі дротяної антени рамкового типу з додатковим включенням зосереджених навантажень при одноточечному збудженні або, що в деякій мірі еквівалентно, багатоточковому збудженні з необхідними амплітудно-фазовими співвідношеннями.

Зазначена необхідність удосконалення строгих методів розрахунку, а також розвиток інженерних методик на основі більш повного урахування випромінюючих властивостей антени. При цьому основою точних обчислень для вирішення завдань збудження дротяних антен може слугувати узагальнений метод наведених ЕРС, що поєднує в собі математичну точність у постановці, а також можливість фізичної інтерпретації отриманих результатів.

У другому розділі дисертаційної роботи - «Теоретичне дослідження електродинамічних властивостей рамкових випромінювачів» - представлені розроблені математичні моделі антени у вигляді еліптичної рамки з двоточковим збудженням, її вхідного та хвильового опору, характеристик випромінювання досліджуваної антени, розвиток узагальненого методу наведених ЕРС стосовно рамкових випромінюючих структур з двоточковим збудженням, а також результати чисельного моделювання характеристик антени.

Рис.1. Рамковий випромінювач з двохточковим збудженням а) і його еквівалентна схема б)

Для розрахунку й аналізу вхідного опору рамкового випромінювача з двоточковим збудженням пропонується подати його у вигляді двох розімкнених рамок. До вхідних затисків першої розімкненої рамки прикладена ЕРС , а на діаметрально протилежній стороні цієї ж рамки є розрив провідника. Друга рамка має такі ж розміри, що і перша, і розгорнена щодо першої на кут 180 град. До вхідних затисків другої розімкненої рамки прикладена ЕРС . На рис.1,а зображений граничний випадок, коли обидві рамки поєднані одна з одною.

Згідно з наведеним уявленням складена еквівалентна схема рамкового випромінювача з двоточковим збудженням (див. рис.1,б), і на підставі якої визначений вхідний опір рамкового випромінювача на кожному з його входів:

(1)

За достатньо простого формулювання завдання розрахунку й аналізу вхідного опору рамкового випромінювача з двоточковим збудженням існують певні математичні труднощі при обчисленні та вимірюванні власних і взаємних опорів випромінювання кожній із розімкнених рамок (особливо взаємних). Таким чином, виникає завдання визначення вхідного опору рамкового випромінювача з довільним двоточковим збудженням , не через змінні и , а через змінні, які можливо визначити експериментальним шляхом. Як такі змінні пропонується використовувати вхідний опір «розімкненого» рамкового випромінювача, який згідно з запропонованою моделлю антени чисельно дорівнює , і вхідний опір «короткозамкнутого» рамкового випромінювача :

(2)

На підставі розв'язання електростатичної задачі отримані інтегральні математичні співвідношення для розрахунку й аналізу хвильового опору рамкового випромінювача еліптичної форми,

, (3)

де ,;

-- довжина провідника; -- потенційні коефіцієнти, що дорівнюють потенціалу, створюваного позитивним одиничним зарядом i-провідника на j-провіднику; , -- діелектрична і магнітна проникність середовища; -- відстань між точками розташування елемента та спостереження М (), які знаходяться на провіднику 1; -- відстань між точкою розташування елемента , що знаходиться на провіднику 2, і точкою спостереження М (), яка знаходяться на провіднику 1 (див. рис. 2,а).



Рис. 2. Рамкова антена еліптичної форми а) і залежність її хвильового опору б)

Проведені розрахунок і аналіз хвильового опору рамкового випромінювача двох модифікацій (стиснення еліпса уздовж поперечної та поздовжньої осей), на підставі яких показані характер і межі зміни хвильового опору антени. На рис. 2,б цифрами позначені співвідношення довжини випромінюючого провідника до його радіусу : 1 200; 2 100; 3 50.

На основі узагальненого методу наведених ЕРС отримана математична модель і розроблений алгоритм розрахунку амплітудно-фазового розподілу струму уздовж провідника рамкового випромінювача:

, (4)

де

; (5)

; (6)

; (7)

-- хвильове число вільного простору ( -- довжина хвилі електромагнітного коливання);

-- функція Гріна;

-- відстань між точками спостереження та інтегрування;

-- скалярний добуток тангенціальних векторів до точок спостереження й інтегрування;

-- збуджуючі ЕРС.

На підставі даного алгоритму реалізований пакет програм для чисельного аналізу рамкових антен. Програми складені в пакеті MathCAD.

Для дослідження характеристик спрямованості досліджуваної антени (див. рис. 3) на основі методу векторного потенціалу розроблена математична модель поля випромінювання еліптичної рамкової антени з двоточковим збудженням (постійний множник, що характеризує сферичний фронт хвилі в дальній зоні антени опущений):

 (8)

де

;

;

;

е -- ексцентриситет еліптичної рамки.

Рис.3. Еліптична рамкова антена з двоточковим збудженням

Згідно з проведеними дослідженнями характеристик рамкового випромінювача з двоточковим збудженням виявлено:

— рамковий випромінювач з двоточковим рівноамплітудним збудженням дозволяє сформувати кардіоїдну ДС з глибоким провалом у зворотному напрямі (максимальним КЗД -- ) і з близькими значеннями ширини головної пелюстки ДС () в основних ортогональних площинах (див. рис. 4, цифрами позначені частоти збудження в МГц);

— зміна фазового зсуву збуджуючих ЕРС від у бік збільшення (зменшення) призводить до зміщення частот режиму з кардіоїдною ДС в низькочастотну (високочастотну) область;

— отримана залежність різниці фаз збуджуючих ЕРС і частот, на яких відбувається формування кардіоїдної ДС;

— сформульований принцип формування рамкової антени з двоточковим збудженням ДС кардіоїдної форми, що полягає у вирахуванні полів, що створюються елементами антени;

— згідно зі сформульованим принципом виявлено еквівалентне здовжування рамкового випромінювача більш ніж в 2 рази, а це, у свою чергу, спрощує практичну реалізацію пристрою збудження;

— максимальний КСД антени дорівнює 3,0 (4,77 дБі);

— незначне стиснення рамкового випромінювача в поздовжньому або поперечному напрямі (додання рамковому випромінювачу форми еліпса) не призводить до істотної зміни його спрямованих властивостей, що дуже принципово при експлуатації даної антени, зокрема на рухомому об'єкті;

— при рівноамплітудному збудженні рамкового випромінювача в двох протилежних точках рівень активної складової вхідного опору антени підвищується, межі зміни вхідного опору антени істотно зменшуються, що дозволяє забезпечити широкодіапазонне узгодження антени (в межах декади) за малих її габаритних розмірів (див. рис.5).

Рис. 4. ДС еліптичної рамкової антени з двоточковим збудженням і параметри ДС

Таким чином, показана можливість побудови малогабаритного випромінювача у вигляді рамкової антени з двоточковим збудженням, що формує кардіоїдну форму ДС і зберігає в широкому діапазоні частот вхідний опір.

У третьому розділі дисертаційної роботи - «Широкодіапазонний пристрій збудження двовходової рамкової антени» - представлені результати розробки широкодіапазонного фазообертача, включаючи дослідження характеристик з метою оптимізації його параметрів.

Принцип роботи фазообертача на фазових контурах заснований на формуванні необхідного фазового зсуву в широкій смузі частот за допомогою двох чотириполюсників з фазочастотними характеристиками і , що задовольняють умові:

(9)

де -- необхідний фазовий зсув; -- припустима фазова помилка; -- граничні частоти діапазону.

Структурна схема фазообертача зображена на рис. 6,а, яка складається з подільника потужності та двох однотипних фазових контурів другого порядку з фазочастотними характеристиками і , відповідно. Схема одного з фазових контурів, побудованого за диференційно-мостовою схемою, еквівалентною за характеристичними параметрами мостовій схемі, зображена на рис. 6,б.

Рис. 5. Вхідний опір еліптичної рамкової антени з двоточковим рівноамплітудним і довільним фазовим збудженням

Для математичного опису фазових контурів і фазообертача в цілому використано їх уявлення у вигляді еквівалентних схем (див. рис.7), в яких реактивний опір послідовного та паралельного контурів позначений як

(10)

Рис. 6. Схеми фазообертача а) і фазового контуру другого порядку б)

Рис. 7. Еквівалентні схеми фазового контуру другого порядку

На основі еквівалентних схем визначені комплексні коефіцієнти передачі першого та другого фазових контурів, фазочастотні характеристики кожного з фазових контурів. З урахуванням додаткових умов, таких як рівність резонансних частот послідовного та паралельного контурів

,

рівність відносних характеристичних опору послідовного та провідності паралельного контурів

,

знайдений фазовий зсув, точніше його залежність від частоти

. (11)

Розроблена методика розрахунку елементів фазових контурів, згідно з якою проведені розрахунки відповідних значень елементів фазообертача. Початковими даними до розрахунків були: частотний діапазон 3…30 МГц з середньою частотою 9,487 МГц; необхідний фазовий зсув 90 град. з припустимою фазовою помилкою 2 град.; опір навантажень 200 Ом. В ході обчислень варіювався параметр (відношення середньої частоти діапазону до резонансної частоти одного з фазових контурів) з метою отримання необхідного коефіцієнта перекриття за частотою в межах частотного діапазону. Деякі результати розрахунку наведені в табл.1.

Таблиця 1.- Розрахункові значення елементів фазообертача

	, МГц	, мкГн	, пФ
0,4	3,8…36,8	2,9	0,7	37,9	9,7	237	60	18	5
0,5	3,0…30,0	3,6	0,9	47,3	12,1	296	75	23	6
0,6	2,6…24,5	4,4	1,1	56,8	14,5	355	91	27	7

На рис. 8 зображені частотні залежності фазового зсуву, які розраховані на підставі даних табл.1 та отриманої математичної моделі (11). В результаті чисельного моделювання з урахуванням усіх параметрів завдання знайдено оптимальне значення , що відповідає максимальному коефіцієнту перекриття за частотою та дозволяє задовольнити поставленим вимогам у цілому.

Рис. 8. Частотна залежність фазового зсуву

У четвертому розділі дисертаційної роботи - «Експериментальне дослідження широкодіапазонної малогабаритної КХ антени» - наведений опис апаратури та методики проведення вимірювань, представлені результати експериментальних досліджень та їх порівняння з розрахунковими даними.

Експериментальний макет антени був несиметричним рамковим випромінювачем з двоточковим збудженням (див. рис. 9). Випромінювач розташовувався над плоским провідним екраном, що моделює форму об'єкта-носія, точки збудження знаходилися в площині екрану. Габаритні розміри випромінювача зазначені на рис. 9.

Рис. 9. Схема макета антени

Під час дослідження проведені відповідні вимірювання та подальший розрахунок вхідного опору антени за її довільного амплітудно-фазового збудження. Кращий результат, який був обраний за критерієм найменшої зміни вхідного опору в широкій смузі частот за достатнього рівня його активної складової для можливості узгодження антени зі стандартним фідером та отриманий при двоточковому рівноамплітудному квадратурному збудженні (див. рис.10).

Рис. 10. Вхідний опір рамкової антени при різному збудженні: одноточкове збудження 1 (розімкнена), 2 (короткозамкнута); двоточкове збудження 3 (рівноамплітудне квадратурне)

Найбільш характерні для даного випадку ДС антени на окремих частотах КХ діапазону зображені на рис.11.

Рис. 11. ДС рамкової антени з двоточковим збудженням

В ході досліджень підтверджено, що при рівноамплітудному квадратурному збудженні рамкового випромінювача в двох протилежних точках рівень активної складової вхідного опору антени підвищується, межі зміни вхідного опору антени істотно зменшуються, що дозволяє забезпечити широкодіапазонне узгодження антени за малих її габаритних розмірів. Характеристики спрямованості антени близькі до виду кардіоїди. Відмінності результатів теоретичних і експериментальних досліджень обумовлено обмеженими розмірами об'єкта-носія й умовами проведення експерименту.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання, яке присвячене дослідженню та розробленню широкодіапазонної антенної системи на основі рамкової антени еліптичної форми з двоточковим збудженням. Показана можливість створення малогабаритної антени з поліпшеними спрямованими та частотними властивостями. Використання такої антенної системи на рухомих об'єктах КХ радіозв'язку дозволить істотно підвищити енергетичний потенціал радіоліній і стійкість радіозв'язку.

Основні наукові та прикладні результати дисертаційної роботи полягають в наступному:

1) Обґрунтований підхід до розробки ефективної малогабаритної широкодіапазонної антени, який може бути реалізований на основі дротяної антени рамкового типу з двоточковим збудженням.

2) Отримані нові математичні співвідношення для аналізу вхідного опору рамкового випромінювача при довільному двоточковому збудженні його входів з використанням змінних, що визначають вхідні опори рамкового випромінювача за «короткого замикання» і «холостого ходу» одного з його входів.

3) Отримана нова математична модель для розрахунку й аналізу хвильового опору рамкового випромінювача еліптичної форми.

4) На основі узагальненого методу наведених ЕРС удосконалена математична модель і розроблений алгоритм розрахунку характеристик еліптичного рамкового випромінювача з двоточковим збудженням.

5) Отримана нова математична модель поля випромінювання рамкової антени еліптичної форми з двоточковим збудженням.

6) Проведені дослідження характеристик рамкового випромінювача з дво-точковим збудженням, згідно з якими виявлено:

— рамковий випромінювач з двоточковим рівноамплітудним збудженням дозволяє сформувати кардіоїдну ДС з глибоким провалом у зворотному напрямі (максимальним КЗД) і з близькими значеннями ширини головної пелюстки ДС в основних ортогональних площинах, максимальний КСД антени дорівнює 3,0 (4,77 дБі);

— сформульований принцип формування ДС кардіоїдної форми, який полягає у вирахуванні полів, що створюються елементами антени, виявлено еквівалентне здовжування рамкового випромінювача більш ніж в 2 рази;

— при рівноамплітудному збудженні рамкового випромінювача в двох протилежних точках рівень активної складової вхідного опору антени підвищується, межі зміни вхідного опору антени істотно зменшуються, що дозволяє забезпечити широкодіапазонне узгодження антени (в межах декади) за малих її габаритних розмірів.

7) Удосконалена математична модель пристрою збудження двовходової рамкової антени у вигляді широкодіапазонного фазообертача на фазових контурах другого порядку та розроблена методика розрахунку фазових контурів; проведений розрахунок, аналіз та оптимізація характеристик.

8) Проведено макетування й експериментальні дослідження характеристик антени.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях

1. Проценко М.Б. Волновое сопротивление рамочной антенны эллиптической формы /М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. -- Одеса. -- №1. -- 2007. -- С. 6-11. (особисто здобувачем отримані інтегральні математичні співвідношення для розрахунку й аналізу хвильового опору рамкового випромінювача еліптичної форми).

2. Проценко М.Б. Входное сопротивление рамочной антенны с двухточечным возбуждением / М.Б.Проценко, Н.И. Мамедов // Вестник СевГТУ. Вып. 93: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр./ Севастоп. нац. тех. ун-т. -- Севастополь, 2008. -- С. 101-105. (особисто здобувачу належать результати аналізу вхідного опору рамкового випромінювача за довільного двоточкового збудження його входів).

3. Проценко М.Б. Широкодиапазонное устройство возбуждения двухвходовой рамочной антенны / М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. -- Одеса. -- №1. -- 2009. -- С. 52-55. (особисто здобувачем розроблена математична модель широкодіапазонного фазообертача на фазових контурах другого порядку).

4. Проценко М.Б. Анализ методов решения интегральных уравнений в задачах возбуждения тонкопроволочных антенн / М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. -- Одеса. -- №2. -- 2009. -- С. 43-49. (особисто здобувачу належать результати аналізу методів рішення інтегральних рівнянь для обчислення амплітудно-фазового розподілу струму уздовж криволінійних випромінюючих структур).

5. Проценко М.Б. Обобщенный метод наводимых ЭДС для анализа криволинейных проволочных антенн / М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. -- Вип. 54. -- К.: 2009. -- С. 146-153. (особисто здобувачу належать результати розвитку узагальненого методу наведених ЕРС і розробка на його підставі оригінальної методики (алгоритму) розрахунку криволінійних дротяних антен, реалізація пакета програм для чисельного аналізу рамкових антен).

6. Проценко М.Б. Анализ направленных свойств двухвходовой рамочной антенны/ М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Наукові праці ОНАЗ ім. О. С. Попова. -- Одеса. -- №1. -- 2010. -- С. 11-19. (особисто здобувачу належать результати аналізу спрямованих властивостей антени за різного співвідношення фаз збуджуючих ЕРС, виявлення режиму випромінювання з кардіоїдною формою ДС як у вузькому, так і широкому діапазонах частот).

Друковані праці наукових конференцій, статті в журналах, виданнях, тези доповідей

7. Мамедов Н.И. Метод анализа входного сопротивления рамочной антенны с двухточечным возбуждением / Н.И. Мамедов // Современные проблемы радиотехники РТ-2007: 3-я междунар. науч.-техн. конф., 16-21 апр. 2007 г.: тезисы докл. -- Севастополь, 2007. -- С. 120.

8. Мамедов Н.И. Рамочная антенна с двухточечным возбуждением / Н.И. Мамедов // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XI-й междунар. молодежный форум, 10-12 апр. 2007 г. : тезисы докл. -- Х., 2007. -- С. 33.

9. Проценко М.Б. Принцип построения широкодиапазонной антенны на основе рамочного излучателя / М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Проблемы современной радиотехники, телевидения и связи: междунар. науч.-техн. конф., 4-6 июн. 2007 г.: тезисы докл. -- Баку, 2007. -- С. 178-82. (особисто здобувачем запропонована еквівалентна схема рамкового випромінювача з двоточковим збудженням).

10. Гандзий А.В. Широкодиапазонный фазовращатель на фазовых контурах второго порядка /А.В. Гандзий, Н.И. Мамедов // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке : XIII-й междунар. молодежный форум, 30 март.-1 апр. 2009 г.: тезисы докл. -- Х., 2009. -- С. 65. (особисто здобувачем розроблена методика розрахунку елементів фазових контурів).

11. Мамедов Н.И. Широкодиапазонный фазовращатель для возбуждения двухвходовой рамочной антенны / Н.И. Мамедов, А.В. Гандзий // Современные проблемы радиотехники РТ-2009: 5-ая междунар. науч.-техн. конф., 20-25 апр. 2009 г.: тезисы докл. -- Севастополь, 2009. -- С. 120. (особисто здобувачем проведений розрахунок елементів схеми широкодіапазонного фазообертача для використання його у складі малогабаритного рамкового випромінювача).

12. Protsenko M.B. Loop antenna with Two-Point Excitation / M.B. Protsenko, N.I. Mamedov // Intern. Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting: Int. Conf, 1-5 June. 2009: тезисы докл. -- Charleston, SC, USA. -- 2009. -- Р.11. (особисто здобувачу належить аналіз отриманих результатів і формулювання висновків).

13. Мамедов Н.И. Исследование малогабаритной рамочной антенны для мобильных систем СЧ-ВЧ радиосвязи / Н.И. Мамедов, М.Б. Проценко // Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій: науково-метод. конф., 28-30 жовт. 2009 р: тезисы докл. -- Львів. -- Л., 2009. -- C.11-13. (особисто здобувачу належать результати обробки й інтерпретації отриманих характеристик антени).

14. Проценко М.Б. Повышение эффективности излучения на основе двухвходовой рамочной антенны / М.Б. Проценко, Н.И. Мамедов // Новые технологии в телекоммуникациях: 3-й междунар. науч.-техн. симпозиум, 2-5 янв. 2010 г.: тезисы докл. -- Вышкив, Ивано-Франковск. -- К., 2010. -- C.157-159. (особисто здобувачу належать результати аналізу режиму випромінювання з кардіоїдною формою ДС).

15. Мамедов Н.И. Направленные свойства малогабаритной рамочной антенны с двухточечным возбуждением / Н.И. Мамедов // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке: XIV-й междунар. молодежный форум, 18-20 апр. 2010 г.: тезисы докл. -- Х., 2010. -- С. 14.

16. Мамедов Н.И. Малогабаритная рамочная антенна с кардиоидной формой диаграммы направленности / Н.И. Мамедов // Современные проблемы радиотехники РТ-2010: 6-ая междунар. науч.-техн. конф., 19-24 апр. 2010 г.: тезисы докл. -- Севастополь, 2010. -- С. 208.

17. Мамедов Н.И. Исследование волнового сопротивления рамочной антенны эллиптической формы / Н.И. Мамедов, М.Б. Проценко // Проблемы телекоммуникаций - 2010: 4-я междунар. науч.-техн. конф., 20-23 апр. 2010 г.: тезисы докл. -- Киев, 2010. -- С. 201. (особисто здобувачем проведені розрахунок і аналіз хвильового опору рамкового випромінювача двох модифікацій, на підставі яких виявлені характер і межі зміни хвильового опору антени).

АНОТАЦІЯ

Мамедов Н.І. Широкодіапазонна антенна система для рухомих об'єктів КХ радіозв'язку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки. - Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова, Одеса, 2010.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню та розробленню широкодіапазонної антенної системи для рухомих об'єктів КХ радіозв'язку, включаючи виявлення закономірностей та особливостей формування поля випромінювання, частотної зміни вхідного опору малогабаритного рамкового випромінювача з двоточковим збудженням; отримання на цій базі нового технічного вирішення антенної системи з поліпшеними характеристиками.

Розроблені нові математичні моделі вхідного опору, хвильового опору еліптичного рамкового випромінювача з двоточковим збудженням, поля випромінювання такої антени. На основі узагальненого методу наведених ЕРС розроблений алгоритм розрахунку характеристик рамкового випромінювача з двоточковим збудженням.

Виявлені потенційні широкодіапазонні та спрямовані властивості рамкових випромінювачів з двоточковим збудженням, їх зміна залежно від геометричних параметрів рамки еліптичної форми, амплітудно-фазових співвідношень збуджуючих ЕРС; наявність режиму випромінювання з кардіоїдною формою ДС. Сформульований принцип формування кардіоїдной ДС рамковим випромінювачем з двоточковим збудженням.

Удосконалена математична модель пристрою збудження двовходової рамкової антени у вигляді широкодіапазонного фазообертача на фазових контурах другого порядку та розроблена методика розрахунку фазових контурів; проведений розрахунок, аналіз та оптимізація характеристик.

Створено прикладне програмне забезпечення в пакеті MathCAD для розрахунків, автоматизованого аналізу та моделювання характеристик рамкових антен, а також антенних систем на їх основі.

Ключові слова: КХ радіозв'язок, рамкова антена, двоточкове збудження, узагальнений метод наведених ЕРС, кардіоїдна ДС, широкодіапазонний фазо-обертач, фазовий контур другого порядку.

АННОТАЦИЯ

Мамедов Н.И. Широкодиапазонная антенная система для подвижных объектов КВ радиосвязи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - антенны и устройства микроволновой техники. - Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2010.

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке широкодиапазонной антенной системы для подвижных объектов КВ радиосвязи, включая выявление закономерностей и особенностей формирования поля излучения, частотного изменения входного сопротивления малогабаритного рамочного излучателя с двухточечным возбуждением; получение на этой базе нового технического решения антенной системы с улучшенными характеристиками.

Проведен анализ направлений развития КВ радиосвязи. Показано, что повышение эффективности КВ радиосвязи возможно, в том числе за счет разработки новых эффективных КВ антенн. Обоснован подход к разработке эффективной малогабаритной широкодиапазонной антенны, который может быть реализован на основе проволочной антенны рамочного типа с двухточечным возбуждением.

Разработаны новые математические модели входного сопротивления, волнового сопротивления эллиптического рамочного излучателя с двухточечным возбуждением, поля излучения такой антенны. Математическая модель для анализа входного сопротивления рамочного излучателя при произвольном двухточечном возбуждении его входов основана на использовании переменных, определяющих входные сопротивления рамочного излучателя при «коротком замыкании» и «холостом ходе» одного из его входов. На основе обобщенного метода наводимых ЭДС разработан алгоритм расчета характеристик рамочного излучателя с двухточечным возбуждением.

Выявлено, что рамочный излучатель с двухточечным равноаплитудным возбуждением позволяет сформировать кардиоидную ДН с глубоким провалом в обратном направлении и с близкими значениями ширины главного лепестка ДН в основных ортогональных плоскостях. Максимальный КНД антенны равен 3,0 (4,77 дБи). Изменение фазового сдвига возбуждающих ЭДС от в сторону увеличения (уменьшения) приводит к смещению частот режима с кардиоидной ДН в низкочастотную (высокочастотную) область. Получена зависимость разности фаз возбуждающих ЭДС и частот, на которых происходит формирование кардиоидной ДН. Сформулирован принцип формирования кардиоидной ДН рамочным излучателем с двухточечным возбуждением, согласно которому происходит эквивалентное удлинение рамочного излучателя более чем в 2 раза, а это, в свою очередь, упрощает практическую реализацию устройства возбуждения.

Выявлены потенциальные широкодиапазонные свойства рамочных излучателей с двухточечным возбуждением, их изменение в зависимости от геометрических параметров рамки эллиптической формы, амплитудно-фазовых соотношений возбуждающих ЭДС.

Усовершенствована математическая модель устройства возбуждения двухвходовой рамочной антенны в виде широкодиапазонного фазовращателя на фазовых контурах второго порядка и разработана методика расчета фазовых контуров; проведен расчет, анализ и оптимизация характеристик.

Создано прикладное программное обеспечение в пакетах MathCAD для расчетов, автоматизированного анализа и моделирования характеристик рамочных антенн, а также антенных систем на их основе.

Проведено макетирование антенны и ее экспериментальное исследование, согласно которому подтверждены выявленные частотные и направленные свойства.

Ключевые слова: КВ радиосвязь, рамочная антенна, двухточечное возбуждение, обобщенный метод наводимых ЭДС, кардиоидная ДН, широкодиапазонный фазовращатель, фазовый контур второго порядка.

SUMMARY

Mamedov N.I. Wide-band antenna system for mobile objects of SW radiocommunication. - Manuscript.

Ph.D. thesis for the candidate of technical science degree on specialty 05.12.07 - antennas and microwave devices. - Odessa National Academy of Telecommunications named after O.S. Popov, Odessa, 2010.

The PhD thesis is devoted to research and development of wide-band antenna system for SW radiocommunication between mobile objects, including the identification of patterns and features of the radiation field formation, frequency changes of the input impedance of small-sized loop radiator with two-point excitation. A new technical solution in the form of antenna system with improved characteristics was obtained on the basis of the research.

New mathematical models of the input impedance, wave impedance of elliptical loop radiator with two-point excitation as well as radiation field of such antenna were developed. The algorithm for calculation of the characteristics of the loop radiator with two-point excitation was developed on the basis of the generalized method of induced electromotive force (EMF).

The potential wide-band and directional properties of the loop radiator with two-point excitation were revealed as well as their change in dependence on the geometric parameters of the loop radiator of the elliptic shape and amplitude and phase relationships of the exciting EMF; the presence of a radiation with a cardioid-like pattern. The principle of cardioid-like pattern formation is formulated for the loop radiator with two-point excitation.

A new mathematical model of the excitation device in the form of wide-band phase shifter using the phase contours of the second order for the two-input loop antenna is developed and the method of phase contours parameters calculation is developed as well; calculation, analysis and optimization of characteristics are performed

Applied software is created in MathCAD package for calculations, automated analysis and simulation of characteristics of loop antennas and antenna systems based on them.

Keywords: SW radiocommunication, loop antenna, two-point excitation, generalized induced EMF method, cardioid-like pattern, wideband phase shifter, phase contour of the second order.

ПРИЙНЯТІ СКОРОЧЕННЯ

ДС -- діаграма спрямованості;

ЕРС -- електрорушійна сила.

КЗД -- коефіцієнт захисної дії;

КСД -- коефіцієнт спрямованої дії;

КХ -- короткі хвилі;

Размещено на Allbest.ru

...