Исследование и разработка антенн с линиями лестничного типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование и разработка антенн с линиями лестничного типа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

антенна радиосистема частота

Руководством Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации (бывшее Министерство связи РФ) неоднократно отмечалась важность создания современных средств связи, таких как: сотовых наземных систем подвижной связи, локального безкабельного телевидения ММDS, INTERNET, систем спутникового телевидения, спутниковых радио систем связи и ряда других.

К настоящему времени разработан ряд программ и проектов по модернизации и развитию радиосредств, например, «Программа развития систем спутниковой связи и вещания Российской Федерации на 1992 - 2000 г. «Россия», Федеральная программа «Электронная Россия (2002 -2010) годы».

Создание новых радиосистем передачи информации во многом определяется конструктивными параметрами, электрическими характеристиками антенн (таких как: всенаправленные в азимутальной плоскости антенны; секторные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности (ДН), равную заданному угловому сектору обслуживания; остронаправленные антенны), их себестоимостью изготовления, удобством эксплуатации и дизайном.

Сейчас в качестве таких антенн используются, как правило, вибраторные, щелевые излучатели, диэлектрические антенны, фазированные антенные решетки (ФАР) из них, зеркальные и линзовые антенны. В ряде случаев эти антенны по тактико-техническим характеристикам не удовлетворяют в достаточной степени требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам.

В связи с этим можно утверждать, что создание оригинальных антенных устройств, развитие новых теоретических методов описания их функционирования и совершенствование технологии их изготовления является актуальной научно-технической задачей.

Одним из других направлений теории антенных устройств является решение задач синтеза: нахождение по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве практически реализуемых по конфигурации проводников и диэлектриков, образующих антенно-фидерное устройство, закона изменения диэлектрической и магнитной проницаемости, распределение поверхностного импеданса вдоль антенно-фидерного устройства и т.п.

Так как возможность изменения формы антенны и электрических параметров материалов, из которых она изготовлена, значительно ограничена условиями их изготовления и эксплуатации, то особый интерес представляет задача нахождения распределения импеданса на поверхности антенно-фидерного устройства по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве при фиксированной геометрии устройства.

Обширный обзор научных работ, посвященный структурам с поверхностным импедансом, был сделан М.А. Миллером и В.И. Талановым, которые акцентировали внимание на то, что импедансные соотношения между компонентами электромагнитного поля являются простейшими из числа обеспечивающих единственность решения задачи, позволяющие получить легко интерпретируемые результаты даже для сложных электромагнитных структур, а следовательно, и анализировать эти структуры с общих позиций.

Численные решения задач синтеза импедансных структур, как правило, приводят к необходимости исследовать плохо обусловленные системы линейных алгебраических уравнений высокого порядка, решение которых по-прежнему составляет одну из сложных проблем численных методов в электродинамике.

Одним из направлений решения задач синтеза импедансных структур в аналитическом виде являются методы решения, основанные на усредненных граничных условиях, которые справедливы для определенного класса импедансных структур.

Эффективность использования усредненных граничных условий при исследовании электромагнитных свойств различных проволочных сеток (рассматривая их как импедансные структуры) показана в работах Конторовича М.И., Вайнштейна Л.А. и Сивова А.Н. В работах Терешина О.Н. и Двуреченского В.Д. исследован ряд оригинальных антенных устройств с использованием усредненных импедансных граничных условий для структур в виде ограниченного числа тонких проводников, в которые периодически включены сосредоточенные реактивные нагрузки, двумерно периодических проволочных и щелевых структур в виде проволочных и щелевых сеток, в провода и щели которых включены реактивные сосредоточенные нагрузки.

Одним из продуктивных направлений создания новых антенно-фидерных устройств является рассмотрение электродинамических структур, которые можно представить в виде отрезка эквивалентной двухпроводной линии, содержащей периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок с переменным импедансом (лестничные линии). Для описания работы таких устройств, как правило, используются неоднородные телеграфные уравнения.

Представляется перспективным применение неоднородных телеграфных уравнений при синтезе излучающих отрезков лестничных линий.

Цель работы - создание эффективных и высокотехнологичных антенн на основе линий лестничного типа для радиосистем передачи информации, таких как системы стационарной и подвижной радиосвязи, радиорелейной связи, спутникового телевидения, передачи данных и др.

Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи:

- теоретически обосновать и разработать алгоритмы синтеза излучающих систем лестничного типа, основанные на решениях обобщенных телеграфных уравнений;

- теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возмож-ность создания эффективных излучающих систем на основе нерегулярных проводных и полосковых линий передач;

- разработать методики синтеза антенн, включая плоские антенны, с заданными характеристиками излучения;

- оценить эффективность разработанных методик, апробировав их при создании оригинальных антенн для радиосистем передачи информации в широком диапазоне частот.

Методы исследования: аналитический аппарат электродинамики, метод синтеза антенн, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы малого параметра и медленно изменяющихся функций, теория рядов Фурье.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны теоретические основы излучающих устройств в виде линии лестничного типа - двухпроводной линии с последовательно и параллельно включенной системой сосредоточенных нагрузок, получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно для практического применения электродинамические процессы в этих структурах.

2. Определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах, найдены общие решения относительно неизвестных сосредоточенных нагрузок для различных форм задания требуемого для практической реализации тока или напряжения.

3. Использовав результаты теоретических исследований, разработана методика синтеза вибраторной и рамочной антенн бегущей волны с линией питания лестничного типа.

4. Для однопроводной лестничной структуры в виде расположенного над плоским экраном провода (или проводящего полоска), в который на одинаковом расстоянии друг от друга включены реактивные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами лестничной структуры при распространении в ней ускоренной волны тока.

5. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность существования в линии лестничного типа модулированного по амплитуде и (или) фазе тока, который можно представить в виде суммы трех бегущих волн, одна из которых при определенных параметрах модуляции может быть ускоренной, обеспечивающей излучение в заданном направлении.

6. На базе результатов теоретических исследований разработана методика синтеза излучающих модулированных линий лестничного типа структур на основе двухпроводной и однопроводной линий передач, в которые последовательно или параллельно включены периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок, импеданс которых изменяется вдоль антенны.

7. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика синтеза полосковых антенн вытекающей волны в виде отрезка несимметричной полосковой линии с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения ширины полоска.

8. Разработана методика синтеза линейных антенн с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости на базе модулированных двухпроводных линий с периодическим изменением либо систем реактивных нагрузок, включенных в провода линии, либо диаметров проводов линии.

9. Предложены теоретические основы полосковых антенн с изменением волнового сопротивления по соответствующему квазипериодическому закону, обеспечивающего необходимое для повышения эффективности функционирования антенной решетки амплитудно-фазового распределения тока вдоль антенны.

10. На базе разработанных теоретических основ модулированных полосковых линий с использованием рядов Фурье предложена методика расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы, соединенных отрезками полосковых линий.

11. Предложены основные принципы технической реализации плоских антенных решеток в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением (переменной шириной полоска).

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

предложенные в диссертационной работе алгоритмы синтеза излучающих линий лестничного типа положены в основу методик расчета целого ряда антенн:

низкоподвешенные антенны, имеющие высоты подвеса излучающей структуры над металлом от (0,03 0,1);

линейные антенны с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости;

секторные антенны с шириной диаграммы направленности 120, 90, 60, 45, 30 в одной плоскости и 15 5 градусов в другой плоскости;

плоские антенные решетки с коэффициентом усиления до 40 дБ.

Результаты теоретических и экспериментальных диссертационных исследований, полученные в процессе диссертационных исследований,

легли в основу пятнадцати авторских свидетельств и патентов на изобретения оригинальных антенн.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработках антенных устройств в опытно-конструкторских работах «Двина», «Двина-М», «Робот», «Линия» (заказчики МВД РФ, Минсвязи РФ и др.) и семнадцати научно - исследовательских работах, выполненных в ОАО «ЦКБ-связь».

ОАО «ЦКБ-связь» выпускает целый ряд антенн, при разработке которых использовались методики, созданные на базе результатов диссертационных исследований, для различных радиосистем в диапазонах частот (от 0,1 до 80) ГГц.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные положения и результаты работ докладывались на двух научно-технических конференциях и на НТС Министерства связи СССР (1989 г.), а созданные на основе результатов диссертационной работы антенны представлялись на международных выставках:

- в Москве «Связь-94», «Связь-95», «Связь-96», «Связь-97», «Связь-98», «Связь-99», «Связь-2000», «Связь-2001», «Связь-2002», «Связь-2003», «Связь-2004», «Связь-2005»,

- в Женеве «Телеком-96», «Телеком-97».

Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в монографии и 11 статьях в ведущих научно-технических журналах, 17 отчетах по НИР.

Новизна предложенных технических решений защищена 15 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

На защиту выносится:

- основанный на решениях обобщенных телеграфных уравнений, математический аппарат синтеза линий лестничного типа;

- методика синтеза вибраторных и рамочных антенн с линией питания

лестничного типа;

- методика синтеза антенн бегущей волны в виде излучающей регулярной линии лестничного типа;

- теоретическое обоснование возможности реализации условий излучения в линиях лестничного типа, представляя ток в линии в виде суммы трех бегущих волн, одна из которых ускоренная (излучающая);

- теоретическое обоснование синтеза излучающих модулированных линий лестничного типа с использованием понятия малого параметра;

- теоретические основы синтеза проводных и полосковых антенн вытекающей волны в виде отрезков линий с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения диаметра провода или ширины полоска;

- методика коррекции амплитудно-фазового распределения тока вдоль антенны бегущей волны за счет введения в это распределение медленно изменяющихся функций;

- методика синтеза линейных антенных решеток полосковых излучающих элементов различной формы, базирующихся на разработанных теоретических основах модулированных полосковых линий;

- основы технической реализации плоских антенных решеток в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем основной части диссертации содержит 271страницу, из которых 158 страниц текста, 113 страниц иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния

вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работ, показана ее новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке теоретических основ линий лестничного типа и выводу основных расчетных соотношений. Определено понятие линии лестничного типа как двухпроводной линии передачи, в провода которой на расстоянии Т друг от друга включены сосредоточенные сопротивления Z_1n(z), а между ними расположены сосредоточенные проводимости Y_2n(z), соединяющие провода линии (ось z - направлена вдоль двухпроводной линии).

На основании уравнений Максвелла в интегральной форме, в случае, когда период Т достаточно мал, получены обобщенные телеграфные уравнения.

Для регулярной линии лестничного типа произведен анализ решений уравнений в зависимости от значений реактивных нагрузок, включенных в лестничную линию.

Для регулярной линии лестничного типа в виде двухпроводной линии с последовательно включенными периодическими реактивными нагрузками для случаев существования в ней ускоренной или замедленной волны произведен расчет значений этих нагрузок на основе решений обобщенных телеграфных уравнений и через усредненные граничные импедансные условия на периодически нагруженных проводах. Сравнивая полученные выражения для различных значений радиусов проводов сделан вывод о допустимости практического использования обобщенных телеграфных уравнений. При распространении ускоренной волны в линии допустимое расстояние между проводами может достигать 0,3 (где - длина волны), при распространении замедленной волны до 0,2.

Для нерегулярной линии лестничного типа решение системы обобщенных дифференциальных уравнений осуществляется при условии, когда известно либо распределение тока I(z), либо напряжения U(z) вдоль линии, а неизвестными являются функции Z_1n(z) и Y_2n(z). В этом случае из системы обобщенных уравнений известным способом получены два дифференциальных уравнения первого порядка относительно функций

Z_1n(z) и Y_2n(z):

(1)

(2)

где

Решение уравнений (1) и (2) могут быть использованы для решения задач синтеза, которые заключаются в нахождении распределения импе-дансов нагрузок включенных в линию по заданному распределению напряжения U(z) или тока I(z) в линии.

При задании распределения напряжения в линии в виде

(где: F(z), (z) - известные действительные функции, U_о - амплитудный множитель).

После соответствующих преобразований полученные решения дифференциального уравнения (1) имеют следующий вид

 (3)

(4)

где:

G_1n, G_2n, B_1n, B_2n - действительные функции от z.

а С - постоянная интегрирования.

При задании напряжения в линии в виде

где V(z), (z) - известные действительные функции).

Решения дифференциального уравнения (1) получено в виде

(5)

(6)

Решение дифференциального уравнения (2) для тока I(z), заданного в виде



(где I_o - амплитудный множитель) получено в виде

(7)

, (8)

где:

R_1n(z), R_2n(z), X_1n(z), X_2n(z) - действительные функции от z.

В случае задания амплитудно-фазового распределения тока в виде

(где: I(z) - функция распределения амплитуды тока вдоль линии,

(z) - функция распределения фазы тока вдоль линии),

решение дифференциального уравнения (2) имеет вид

(9)

(10)

Кроме полученных равенств, устанавливающих однозначную связь между напряжением (током) в линии лестничного типа и импедансом нагрузок, включенных в линию, определены характеристические сопротивление и активная мощность в линии для приведенных выше формах задания тока или напряжения.

Вторая глава посвящена разработке методик синтеза антенн бегущей волны на линиях лестничного типа.

Разработана методика синтеза линейных вибраторных антенных реше-ток, которая позволяет определить конструктивные параметры антенны по заданному распределению тока на входных зажимах вибраторов, при котором в антенне реализуются соответствующие характеристики диаграммы направленности и высокий коэффициент полезного действия;

в отличии от известной антенны в виде системы симметричных вибраторов подключенных к линии питания через сопротивления связи.

Антенна состоит из симметричных вибраторов длиной 2l, подключенных через равные расстояния Т непосредственно к линии лестничного типа (рис. 1).

Рис. 1.

Так как Т антенну можно представить в виде эквивалентной длинной линии с распределенными параметрами. В этом рассматриваемом случае



где X_o, B_o - погонное сопротивление и проводимость ненагруженной двухпроводной линии - входная проводимость вибраторов в решетке.

Поскольку диаграмма направленности антенны в плоскости XOZ определяется заданным распределением тока на входных зажимах вибраторов, которое через входную проводимость связано с напряжением U(z), считаем, что - известная функция.

Используя решения дифференциального уравнения (3) и (4), полученные в первой главе, получены соотношения, позволяющие связать величины реактивных нагрузок Х_н1 и В_н2 с распределением тока на входах вибраторов, которые определяются по заданной диаграмме направленности.

Эта же методика позволяет рассчитывать вибраторные антенны бегущей волны, расположенные над металлическим экраном на высоте h.

Диаграмма направленности вибраторной антенны длиной L = 3 с К.П.Д. = 0,85 приведена на рис. 2.

___ расчетная ДН

----- экспериментальная ДН



Рис. 2.

Рзработана с использованием соотношений (5) и (6) методика синтеза рамочной антенны бегущей волны с линией питания лестничного типа, представляющую собой периодическую структуру из соосных металлических рамок, расположенных на расстоянии Т друг от друга (рис. 3).

Каждая рамка соединена с двухпроводной линией питания лестничного типа, в проводники которой последовательно Рис. 3и параллельно включены реактивные нагрузки jX_н1 и jB_н2. Напряжение в двухпроводной линии задается в виде

Приведены результаты расчетов и экспериментальных исследований рамочной антенны.

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей линии лестничного типа в виде двухпроводной линии с последовательно включенными реактвными нагрузками (рис. 4).



Рис. 4.

Ток в линии задан в виде ускоренной затухающей бегущей волны,

где: - коэффициент затухания,

- постоянная распространения, причем k.

Для антенны в виде двухпроводной линии или наиболее часто применяемой на практике антенны в виде расположенного над металлом проводника, в которой периодически включены реактивные нагрузки, получены расчетные соотношения для определения реактивного сопротивления нагрузок Х_н и радиуса провода а в зависимости от требуемой диаграммы направленности, выбираемого из класса реализуемых ДН.

Диаграмма направленности этой антенны длиной L=5 приведена на рис.5.

Рис.5

------экспериментальная ДН

----расчетная ДН

Рис. 6.

КПД антенны составляет 0,9, что значительно выше, чем у известной антенны бегущей волны Бевереджа. Разработана методика расчета антенны на основе излучающей линии лестничного типа в виде несимметричной полосковой линии шириной b, в полосок которой периодически включены реактивные нагрузки (рис. 6). Ток в несимметричной полосковой линии задается в таком же виде, как и в предыдущей антенне.

Приведены расчетные соотношения, результаты расчета и эксперимента (рис. 7).



Рис. 7. ------ экспериментальна ДН ---- расчетная ДН

L = 3

= 4,05

В третьей главе отражены результаты разработки методов синтеза антенн на основе модулированных линий лестничного типа.

Понятие модулированных линий лестничного типа введено по аналогии с работой К. Уолтера «Антенны бегущей волны», где рассматриваются антенны медленных волн с плавным изменением поперечных размеров. Вводя некоторую периодичность в это изменение, можно регулировать уровень боковых лепестков и управлять положением максимума излучения антенн медленных волн. Такие излучающие структуры с периодичностью в плавном изменении поперечных размерах были названы модулированными линиями лестничного типа.

Под модулированными линиями лестничного типа в диссертации понимаются линии, в которых в амплитудно-фазовом распределении тока (напряжения) в линии можно выделить периодическую функцию.

Ток в линии лестничного типа задается в виде

(11)

где - постоянная, причем 1, T_m - период модуляции,

Если - действительная величина, то ток (11) модулирован по амплитуде. Если то выражение (11) описывает с точностью ток, модулированный по фазе:

Если - комплексная величина, то ток (11) модулирован по амплитуде и фазе.

Модулированный по гармоническому закону ток (11) можно предста-вить в виде трех бегущих волн (трех гармоник) тока:

где: ₁, ₂ - постоянные, причем ₁ 1, ₂ 1, q₁, q₂ - комплексные волновые числа,



Если k и период модуляции Т_m выбран таким образом, что где _о - угловой параметр, то вторая гармоника тока является ускоренной затухающей волной, обуславливающей излучение электромагнитной энергии замедленной волны питания. Изменяя угловой параметр _о можно обеспечить условия как для прямого излучения свойственного излучающей регулярной лестничной структуре, так и для обратного излучения При максимум излучения направлен перпендикулярно к структуре.

При разработках методов синтеза модулированных излучающих линий лестничного типа использовался метод малых параметров.

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей полосковой линии с модулированной фазой тока, представляющая собой несимметричную полосковую антенну, в которой кроме нагрузок Х_н1, включенных в полосок, есть реактивные нагрузки B_н2, соединяющие полосок с экраном между нагрузками X_н1. Эквивалентная схема такой антенны имеет вид линии лестничного типа, в которой

где: - длина волны, W_л - волновое сопротивление ненагруженной регулярной несимметричной полосковой линии, R_и - сопротивление излучения элемента тока длиной Т.

Сопротивление Х_н1 и проводимость В_н2 определяются по выражениям (9,10), полученным в первой главе. При этом постоянная интегрирования С определяется из условия распределения активной мощности вдоль антенны, а сопротивление излучения R_и находится из условия равенства мощности, излучаемой антенной, и мощности излучения в дальней зоне антенн. Для сравнительно длинных антенн (L >> ) функции изменения Х_н1 и В_н2 вдоль антенны имеют следующий вид

(12)

где: k - волновое число, - глубина модуляции фазы тока,

Т_m - период модуляции фазы тока, L - длина антенны,.

- КПД антенны по питанию,

Из полученных выражений следует, что для создания условий существования в линии лестничного типа тока, модулированного по фазе, необходимо периодически изменять сосредоточенные реактивные нагрузки Х_н1, В_н2, т.е. осуществлять их модуляцию вдоль линии, что дает основание называть такие линии модулированными.

Так как в сантиметровом диапазоне волн реализовать последовательные индуктивные нагрузки Х_н1 затруднительно, то рассмотрена модулированная линия лестничного типа, когда Х_н1 = 0. В этом случае выражение (12) преобразуется к следующему выражению

Рис. 8.

т.е. требуемое распределение тока в линии обеспечивается периодическим изменением вдоль линии ее волнового сопротивления W_л и проводимости В_н2 реактивных нагрузок, параллельно включенных в линию на одинаковом расстоянии Т друг от друга (рис. 8), которые реализуются полосковым шлейфом.

Диаграмма направленности антенны длиной L=11 изображена на рис.9.



____ экспериментальная ДН ------ расчетная ДН

Рис. 9.

Приведена так же методика синтеза антенны в виде излучающей полосковой линии с амплитудной модуляцией тока, т.е. ток I(z) в полосковой линии с двойной системой периодически включенных реактивных нагрузок модулирован по амплитуде

,

где: m - глубина амплитудной модуляции, причем m < 1.

Приведен анализ частотных свойств (в частности частотное сканирование) антенн вытекающей волны, к которым относятся рассмотренные выше излучающие модулированные полосковые линии.

Показано, что изменение угла максимального излучения прямо пропорционально изменению частоты.

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей полосковой линии с модулированным волновым сопротивлением, когда Х_н1 = 0 и В_н2 = 0.

Ток линии в этом случае модулирован по амплитуде и фазе и записывается в следующем виде

где: m - индекс амплитудной модуляции, - индекс фазовой модуляции, - модуляционное волновое число, - коэффициент затухания.

При малой глубине модуляции фазы ( 1) ток в линии можно представить в виде суммы трех гармоник одна из которых обуславливает излучение из линии в виде вытекающей волны.

Рис. 10.

Из решения дифференциального уравнения получено уравнение для определения индекса амплитудной и фазовой модуляции, а также закон изменения волнового сопротивления W_л(z ) излучающей полосковой линии.

Приведен порядок расчета этой антенны (рис.10),результаты расчета и измерения электрических характеристик, в том числе и ДН (рис. 11).

Рис. 11.

___ расчетная ДН

---- экспериментальная ДН

Длина антенны - 10

= 0,1^-1

m = 0,38

На базе методики синтеза антенны в виде излучающей полосковой линии с модулированным волновым сопротивлением разработан и изготовлен целый ряд секторных антенн с шириной диаграммы направленности 120, 90, 60, 45 и 30 в одной плоскости и 5 15 в другой с центральной рабочей частотой от 1 ГГц до 12 ГГц.

Предложена методика синтеза однопроводной антенны с изменяющимся диаметром провода (рис. 12).

Рис. 12.

Ток в линии задается в виде суммы трех гармоник

где: , q_o - амплитудный множитель, ₁ и ₂ - комплексные постоянные, ₁ 1, ₂ 1,

- коэффициент затухания.

Синтез антенны производится на основе граничных условий на поверхности провода линии, которым должны удовлетворять электрические составляющие электромагнитного поля, создаваемого токами в линии.

Приведены расчетные соотношения, результаты расчетов и измерений электрических характеристик.

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей модулированной периодически нагруженной двухпроводной линии с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости (рис. 13).



Рис. 13.

Для этого в двухпроводной линии в провода включены неодинаковые реактивные нагрузки, а токи в первом проводе I₁(z) и во втором проводе I₂(z) имеют следующий вид

где: I_o - постоянный множитель, ₁ и ₂ - постоянные, причем ₁ 1, ₂ 1, _о-волновое число волны питания, -волновое число, определяющее модуляцию реактанса нагрузок, _о -коэффициент затухания, при условии _о вторые гармоники в проводах линии синфазны.

Установлено, что для обеспечения условия существования в периодически нагруженной двухпроводной линии таких токов необходимо изменять реактансы нагрузок, включенных в провода по одинаковым гармоническим законам со сдвигом на во втором проводе относительно первого.

Из условия энергетического баланса (равенства изменения мощности волны питания и мощности излучения) определены коэффициенты ₁ и ₂.

Полученные расчетные соотношения позволяют расчитать закон изменения реактивных нагрузок в каждом проводе в зависимости от требуемой диаграммы направленности из класса реализуемых ДН.

Предложена методика синтеза антенны с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости на основе излучающей модулированной двухпроводной линии с изменяющимися диаметрами проводов (рис. 14).

Рис. 14.

Токи, протекающие в первом I₁(z) и втором I₂(z) проводах имеют вид

где: I_o - амплитудный множитель,

- коэффициент затухания, _m - волновое число, m = 0, 1, 2, ₁ и ₂ - постоянные, причем ₁ 1, ₂ 1.

Если _o = k, ₁ = k - , ₂ = k + , где = k(1 - cos_o), _o - угол, определяющий направление вытекания волны, соответствующей второй гармонике токов в проводах линии. В этом случае в линии происходит преобразование энергии несимметричной волны питания (первая гармоника тока) в энергию излучения посредством второй гармоники токов. При этом двухпроводная линия представляет собой антенну вытекающей волны с равномерной ДН в поперечной плоскости, которая при _o = 90, _o = k, ₁ = 0, ₂ = 2k эквивалентна синфазной линейной вибраторной решетке.

Из полученных расчетных соотношений следует, что радиусы проводов вдоль линии изменяются по периодическому закону со сдвигом друг относительно друга на половину периода.

Для практической реализации антенны конструктивно выгодно изготавливать провод в виде эквивалентного полоска с переменной шириной (z), которая связана с радиусом провода a(z) соотношением

Эта методика легла в основу при создании антенн базовых станций с центральной рабочей частотой от 140 МГц до 12 ГГц и коэффициентом усиления от 8 до 16 дБ.

Диаграмма направленности антенны базовой станции длиной 5 в угломестной плоскости приведена на рис.15 неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости менее 1 дБ.

___ экспериментальная ДН

----- расчетная ДН

Рис.15.

Четвертая глава посвящена исследованию возможности создания плоских антенных решеток в виде отрезков излучающих модулированных полосковых линий.

На базе разработанных теоретических основ модулированных полоско-вых линий предложен метод расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы, соединенных отрезками полосковой линии, рассматривая их как периодические структуры.

Метод основан на выборе одинаковых коэффициентов в первых членах ряда Фурье для периодически изменяющихся функций ширины полоска модулированной линии и периодической функции полосковых излучателей разной формы.

Приведены результаты сравнительных измерений модулированной полосковой линии и линейных антенных решеток с различной конфигурации полосковых излучателей, которые подтверждают эффективность предложенного метода.

Разработана методика синтеза излучающей полосковой линии, в которой возможна реализация требуемого амплитудного распределения тока вдоль излучающего элемента.

Ток в линии задается в виде:

где: m - индекс амплитудной модуляции, - индекс фазовой модуляции,

, k - волновые числа (k = 2/), - длина волны, f(z) - медленно изменяющаяся функция, I_o - постоянный множитель, (z) - медленно измеряющийся коэффициент затухания.

Под медленно изменяющимися функциями здесь понимаются функции (z) у которой выполняются следующие условия:

Полагая, что m и меньше единицы ток с точностью О(²) можно представить в виде суммы трех бегущих волн

где:

Использование медленно изменяющихся функций позволяет изменять амплитудное распределение излучающей гармоники тока вдоль антенны.

Подбирая f(z) и (z) соответствующим образом можно получить амплитудное распределение близко к равномерному, что позволило повысить коэффициент использования поверхности (КИП) антенны по сравнению с КИПом антенны при экспоненциальном амплитудном распределении, свойственным для регулярной модулированной линии.

Получены расчетные соотношения и приведен порядок расчета такой полосковой антенны (рис. 16) с переменным волновым сопротивлением, изменяющимся по квазипериодическому закону



Рис. 16.

где: W_m - максимальное значение волнового сопротивления, а m определяется из следующего выражения

( - минимальная ширина полоска, М - константа, определяемая из баланса мощности). На рис. 17 представлена диаграмма направленности антенны длиной L =15 с амплитудным распределением излучающей гармоники тока близким к равномерному.

Рис. 17.

L = 15

----- экспериментальная ДН ___ расчетная ДН

Для плоских антенных решеток произведен оптимальный выбор возбуждающего устройства, которое обеспечивает согласование линии питания с системой полосковых излучателей.

Приведен анализ и выбор схем построения антенных решеток отрезков излучающих модулированных полосковых линий.

Схемы антенных решеток с возбуждающими устройствами на основе несимметричной полосковой линии целесообразно использовать в диапазонах частот до 8 ГГц, что обуславливается их простотой реализации и резким возрастанием потерь на более высоких частотах.

В диапазонах выше 8 ГГц целесообразно применять возбуждающие устройства на основе рупорно-параболических, рупорных и рупорных антенн с коррекцией фазы.

Представленные схемы построения антенных решеток позволяют реализовать антенны с усилением от 10 до 40 дБ на частотах от 1,0 80 ГГц.

На основании экспериментальных исследований в различных диапазонах частот сделан вывод, что отрезки модулированных линий лестничного типа могут быть использованы для создания высокоэффективных плоских антенных решеток, отличающихся от известных простотой конструкции, технологичностью и низкой себестоимостью изготовления, особенно, когда в качестве излучающих элементов применены отрезки несимметричных полосковых линий, волновое сопротивление которых изменяется по периодическому закону, за счет соответствующего изменения ширины полоска.

Теоретические и экспериментальные исследования плоских антенных решеток отрезков излучающих полосковых линий легли в основу разработок плоских антенн спутниковых телевизионных систем, антенн ретрансляторов наземных систем связи и других радиосистем.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы

1. Теоретически исследованы излучающие устройства, которые можно представить в виде линий лестничного типа - двухпроводной линии, в которую включены параллельно и последовательно периодические системы сосредоточенных нагрузок. Использовав уравнения Максвелла в интегральной форме получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно электродинамические процессы в линиях лестничного типа при условии распространения в них бегущих волн тока (напряжения).

2. Теоретически определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах. Найдены общие решения уравнений относительно неизвестных сосредоточенных реактивных нагрузок при выполнении этих условий для различных форм задания требуемого для практической реализации тока (напряжения).

3. Разработаны теоретические основы синтеза вибраторной и рамочной антенн бегущей волны с линией питания лестничного типа, позволившие связать импеданс реактивных нагрузок с конструктивными параметрами, характеристиками диаграммы направленности антенн и оценить их электрические характеристики (входное сопротивление, коэффициент полезного действия и др.).

4. Для однопроводной лестничной структуры в виде расположенного над плоским экраном провода, в который на одинаковом расстоянии друг от друга включены сосредоточенные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами лестничной структуры при распространении в ней ускоренной волны тока. Результаты сравнительных вычислений показали, что описывающие эту же связь выражения, которые следуют из решений обобщенных телеграфных уравнений, дают практически идентичные значения, что подтверждает правомочность использования телеграфных уравнений для исследования излучающих лестничных структур.

5. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность (при периодическом изменении импедансов сосредоточенных нагрузок) существования в линии лестничного типа модулированного по амплитуде или (и) фазе тока, который можно представить в виде суммы трех бегущих волн. Одна из этих волн, при определенных параметрах модуляции, может быть ускоренной (вытекающей волной), обуславливающей электромагнитное излучение в заданном направлении.

6. Разработаны теоретические основы синтеза излучающих модулированных лестничных структур, построенных на основе двухпроводной и однопроводной линии передач, в которые последовательно и параллельно включены периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок. Создана оригинальная методика синтеза полосковой антенны вытекающей волны в виде отрезка несимметричной полосковой линии с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения ширины полоска. Используя эту методику синтеза создана и экспериментально исследована полосковая антенна нормального излучения, на основе которой разработан и изготовлен целый ряд секторных антенн с шириной диаграммы направленности 120, 90, 60, 45 и 30 в одной плоскости и 5 15 в другой с центральной рабочей частотой от 1 ГГц до 12 ГГц.

7. Исследована возможность создания на базе модулированных двухпроводных и полосковых линий линейных антенн с круговой ДН в поперечной плоскости, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена такая возможность за счет периодического изменения либо систем реактивных нагрузок, включенных в провода линии, либо периодического изменения диаметров проводов (ширины полоска) линии. Причем закон периодического изменения в одном проводе (полоске) сдвинут на половину периода закона периодического изменения в другом проводе (полоске). Принципы построения излучающей модулированной двухпроводной линии с изменяющимися диаметрами проводов (ширины полоска) были использованы при создании антенн базовых станций с центральной рабочей частотой от 140 МГц до 12 ГГц и коэффициентом усиления от 8 до 16 дБ.

8. За счет введения в гармоники тока медленноменяющихся функций решена задача обеспечения требуемого для повышения эффективности функционирования АР амплитудно-фазового распределения тока вдоль излучающего элемента решетки. Установлено, что для этого достаточно изменять волновое сопротивление полоскового излучателя по соответствующему квазипериодическому закону.

9. На базе модулированных полосковых линий с использованием теории рядов Фурье предложена методика расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы.

10. Предложены основные принципы технической реализации плоских антенных решеток излучателей в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением (переменной шириной полоска).

Экспериментальные измерения практически совпали с расчетными, что позволило создать ряд новых высокоэффективных, технологичных, с низкой себестоимостью плоских антенн для различных радиосистем передачи информации, работающих в диапазонах частот от 1 ГГц до 80 ГГц с коэффициентом усиления до 40 дБ. Осуществлен оптимальный выбор возбуждающего устройства плоских антенн.

11. В диссертации теоретически обосновано и экспериментально подтверждено то, что периодическое изменение (модулирование) конструктивных параметров линии лестничного типа позволило на практике создать широкий класс оригинальных антенн. Основные типы таких антенн различного назначения и их характеристики представлены в Приложении .

В Приложении представлены описания, разработанных в ОАО “ЦКБ-связь” по результатам диссертационной работы, антенн различных радиосистем и их основные электрические характеристики ( более 35 модификаций).

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Двуреченский В.Д., Терешин О.Н., Федотов А.Ю. Методы импедансного синтеза антенных устройств. Монография. - М.: АБ РФ, 1995.- 149 с.

2. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Однопроводная антенна бегущей волны с реактивными нагрузками // Электросвязь. - 1984. - № 6. - С. 34-37.

3. Вибраторная антенна бегущей волны / О.Н. Терешин, А.Н. Ювко, В.Д. Двуреченский, А.Ю. Федотов // Электросвязь.- 1985.- № 8. - С. 42-45.

4. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю., Рамочная антенна бегущей волны с линией питания “лестничного” типа // Электросвязь. - 1988. - № 1. - С. 40-43.

5. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Синтез антенны на базе линии “лестничного” типа // Электросвязь. - 1989. - № 10. - С. 42-44.

6. Излучающая полосковая линия с изменяющимся волновым сопротивлением / О.Н. Терешин, А.Н. Антипов, В.Д. Двуреченский, А.Ю. Федотов // Электросвязь. - 1992. - № 11. - С. 38-40.

7. Двуреченский В.Д., Винницкий З.Л., Федотов А.Ю. Синтез линий лестничного типа // Антенны. - 2001. - № 1.- С. 36-40.

8. Федотов А.Ю. Однопроводная антенна с изменяющимся диаметром провода // Антенны. - 2005. - № 3. - С. 16-19.

9. Федотов А.Ю. Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением // Антенны. - 2005. - № 7-8.- С. 28-31.

10. Федотов А.Ю. Полосковая антенна // Электросвязь. - 2005. - № 9.- С. 46-47.

11. Федотов А.Ю. Коллинеарная антенна // Антенны. - 2006. - № 2.-С. 32-35.

12. Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Излучающая модулированная периодически нагруженная двухпроводная линия // Антенны. - 2006. - №4.- С. 3-6.

13. А.с. 141710 (СССР). / О.Н. Терешин, А.Н. Ювко, А.Ю. Федотов, В.Д. Двуреченский - Зарег. в ГР 01.04.80.

14. А.с. 182238 (СССР). / О.Н. Терешин, А.Н. Ювко, В.Д. Двуреченский, М.В. Туркин, А.Ю. Федотов - Зарег. в ГР 07.12.82.

15. А.с. 234713 (СССР). / О.Н. Терешин, М.В., Туркин, А.Ю. Федотов - Заявл. 26.04.83, Зарег. в ГР 03.03.86.

16. А.с. 1423965 (СССР). Измеритель реактивного сопротивления СВЧ / О.Н. Терешин, В.А. Конский, В.И. Корнюхин, А.Ю. Федотов.//Б.И. - 1988. - № 34.

17. А.с. 1499680 (СССР). Полосковая антена / О.Н. Терешин, Ю.Б. Зубарев, И.В. Мягков, А.Ю. Федотов - Зарег. в ГР 08.04.89.

18. А.с. 1570600 (СССР) Полосковая антенна/О.Н. Терешин, Ю.Б.Зубарев, И.В. Мягков, А.Ю. Федотов, А.М. Кижнер - Зарег. в ГР 08.02.90.

19. А.с. 1723963 (СССР) Полосковая антенна / А.Ю. Федотов, О.Н. Терешин, А.Н. Антипов - Зарег. в ГР 01.12.91.

20. А.с. 1631633 (СССР) Волноводно - полосковый переход / А.Ю. Федотов, О.Н. Терешин, Л.С. Зингерман. // - 1991. - № 8.

21. А.с. 1730697 (СССР) Полосковая антенна / А.Ю. Федотов,О.Н. Терешин, З.Л. Винницкий. // Б.И. - 1992. - № 16.

22. Пат. 5526004 (США). Flat stripline antenna / Плоская полосковая антенна / А.Н. Антипов, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов и др.// И.С.М.- 1996. - № 4, вып. 106.

23. Пат.2157030. (Россия) Зигзагообразная антенна с рефлектором. З.Л. Винниций, В.Д. Двуреченский, В.П. Степанов, А.Ю. Федотов. // Б.И. - 2000. - № 27.

24. Пат. 2169972 (Россия) /Антенна с эллиптической поляризацией/ В.Д. Двуреченский, П.А. Аристархов, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов .// Б.И. - 2001. - № 18.

25. Пат. 217761 (Россия) Антенна с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости / В.Д. Двуреченский, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов. // Б.И. - 2001. - № 36.

26. Пат. 2207673 (Россия) Слабонаправленная широкополосная антенна / З.Л. Винницкий, В.Д. Двуреченский, А.Ю. Федотов. // Б.И. - 2003. - № 18.

27. Пат. 2208879 (Россия) Полосковая антенна / В.Д. Двуреченский, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов. // Б.И. - 2003. - № 20.

Размещено на Allbest.ru

...