Актуальность. В настоящее время в России, как и во всем мире, продолжается развитие сетей и систем подвижной радиосвязи (СПР). Это относится как к сетям общего пользования (преимущественно сотовым), так и к профессиональным (ведомственным, технологическим) сетям. Продолжают развиваться и совершенствоваться СПР специального назначения, в том числе с использованием ИСЗ. В ближайшей перспективе ожидается интенсификация внедрения сетей подвижной радиосвязи третьего поколения.

Указанные процессы во многом определяют новые дополнительные требования к антеннам (антенным системам) базовых станций (БС) и радиоцентров СПР. С учетом общих тенденций повышения требований к качеству связи в условиях непрерывно усложняющейся электромагнитной обстановки ужесточаются требования к основным параметрам антенн. С другой стороны, массовое использование антенн БС СПР диктует не менее жесткие требования к их техническо-экономическим показателям. Для действующих и перспективных СПР выделены участки радиочастотного спектра в самых различных частях ОВЧ - и УВЧ-диапазонов, что предопределяет относительное разнообразие типов и технических решений применяемых антенн БС СПР. Не менее существенным фактором в этом отношении оказываются специфические технические требования, возникающие при построении корпоративных и специальных СПР, и предполагающих многообразие пространственных, энергетических и поляризационных характеристик антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн, антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций, включая пространственную, временную и пространственно-временную обработку принятых сигналов, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиосистем. Такое расширение круга задач стимулировало интенсивное развитие антенных систем и проведение исследований по широкому кругу вопросов, связанных с теорией и техникой антенн.

Речь идёт о создании многофункциональных антенных систем для базовых станций сотовой связи и радиоцентров СПР. Ещё более высока актуальность применения многофункциональных антенных систем в области спутниковой связи.

Многофункциональные антенные системы могут выполняться на основе антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва. Такие антенны образуют сложные излучающие структуры, путем изменения параметров которых возможно решение широкого круга задач, связанных с формированием диаграмм направленности (ДН) заданной формы, ЭМС радиоэлектронных средств, приемом сигналов при многолучевом распространении и рядом других задач. Решение этих задач неразрывно связано с разработкой различных алгоритмов оперативного управления характеристиками этих систем.

Проведение исследований по различным направлениям теории антенн включает в себя и решение вопросов радиофизики, в частности, оценку влияния электродинамических факторов на качество управления характеристиками многофункциональной антенной решетки (АР), исследование структуры и характера распределения электромагнитного поля, сформированного АР, учет многолучевого распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересеченной местности.

При всем многообразии исследований, посвященных решению задач синтеза АР различной конфигурации, в настоящее время отсутствуют эффективные методы, обеспечивающие оперативное (в реальном времени) определение комплексных весовых коэффициентов (КВК), необходимых для формирования ДН с заданным количеством, уровнем, положением, фазой и формой лучей, а также уровнем боковых лепестков. Разработка таких методов является на сегодня актуальной проблемой и может служить целью научного поиска.

Целью работы является создание комплекса новых эффективных и развитие существующих методов и алгоритмов параметрического синтеза АР для расширения функциональных возможностей и улучшения различных характеристик антенных решеток, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Для достижения данной цели предполагается решение следующих задач:

разработка метода (способа и соответствующего алгоритма) оперативного формирования многолепестковых ДН линейных, кольцевых и плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на матричном методе синтеза;

разработка аналитического метода (способа и соответствующего алгоритма) формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности линейных и плоских антенных решёток с дискретным фазированием;

разработка алгоритма оперативного управления комплексными амплитудами токов в каналах плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на методе парциальных ДН с использованием функций Котельникова;

разработка способов независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения;

анализ характеристик разработанных алгоритмов (анализ энергетических характеристик разработанных алгоритмов, оценка их устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, анализ влияния взаимодействия излучателей на точность и эффективность разработанных алгоритмов, анализ диапазонных свойств разработанных алгоритмов).

Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, разработанными новыми методами (способами и алгоритмами) оперативного управления характеристиками направленности многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва и впервые полученными результатами:

впервые решена задача формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации "распределённого" между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм;

впервые аналитически решена задача фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа путем суперпозиции двух дискретных фазовых распределений;

сформулирован в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными весовыми коэффициентами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры. Показано, что алгоритм обеспечивает формирование диаграмм направленности сложной формы, в том числе и многолепестковых;

предложены новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн;

представлены впервые полученные оценки характеристик разработанных способов и алгоритмов (энергетических характеристик, диапазонных свойств, устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, влияния электродинамических эффектов) на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждается запатентованными методами расчетов, прошедшими государственную экспертизу, полнотой и корректностью постановки задачи, а также путем сравнения с известными результатами, построением синтезированных ДН и сравнением их с заданными ДН.

Практическая значимость работы. В работе разработаны алгоритмы, а также способы, применяемые при решении задач синтеза, позволяющие оперативно управлять параметрами многофункциональных антенны. Результаты решения задач синтеза, приведенные в работе, показали не только возможность формирования многолучевых диаграмм направленности,

но и возможности регулировки ширины главного луча и уровня боковых лепестков диаграммы, изменение формы главного луча, формирование нулей диаграммы направленности в направлении помехи, а так же независимое управление фазовыми диаграммами отдельных лучей для синфазного приёма сигналов при многолучевом распространении. Несомненно, что решение задач, приведенных в работе, существенно расширит функциональные возможности антенных решеток с различной геометрией раскрыва. Разработанные алгоритмы и способы, а так же созданный на их основе программно - вычислительный комплекс могут быть использованы для управления многофункциональными АР с различной геометрией раскрыва в радиотехнических системах.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем", проходившей в РВИ РВ, 2003г, на Международных научных конференция "Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2003", "Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005" (г. Таганрог, Россия, 2003 г., 2005 г.), а также на I Межрегиональной научно-практической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 1 статья в журнале "Антенны", 9 в сборниках трудов и тезисов докладов на научных конференциях, а так же в 2 отчетах по НИР. По материалам диссертационных исследований получено два патента РФ, а также подана заявка на предполагаемый патент РФ. Основные научные и практические результаты использованы в научной работе и учебном процессе в РВИ РВ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения. Она содержит 159 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц и список использованных источников, включающий 105 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, показана практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание работы.

В первой главе, состоящей из трех частей, проведен обзор и краткий анализ существующих на сегодняшний день стандартов и антенных систем подвижной радиосвязи, а также основных методов синтеза антенных решеток. Первая часть посвящена обзору основных стандартов подвижной радиосвязи и используемых в них антенных систем. Во второй части сформулированы основные требования к антенным системам перспективных стандартов подвижной радиосвязи. В третьей части проведен обзор основных методов синтеза антенных решеток.

Показано, что для расширения функциональных возможностей существующих антенных решеток необходимо создать новые, а также развить существующие методы и алгоритмы синтеза многофункциональных антенных решеток. Указаны методы синтеза, выбранные для решения поставленной задачи.

Вторая глава диссертации посвящена разработке алгоритма управления КВК плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова.

С учетом того, что коэффициенты разложения распределения тока в ряд Фурье являются одновременно коэффициентами разложения множителя решетки в двумерный ряд Котельникова, функции Котельникова ортогональны в области видимых углов, и число контролируемых при синтезе функций Котельникова должно равняться числу излучателей, получена система линейных алгебраических, матрица которой унитарна. Это позволило найти ее обратную матрицу путем эрмитова сопряжения и тем самым получить в замкнутой форме алгоритм управления КВК в элементах решетки с номерами :

антенная решетка радиоволна многолучевой

. (1)

Здесь - число элементов решетки, , . Для синтеза многолучевой ДН с регулируемой фазой лучей требуется задать комплексные значения , амплитуды которых соответствуют уровням лучей, номера и - их ориентации, а фаза - требуемым фазам лучей.

Очевидно, что алгоритм обладает высокой оперативностью.

Проведено численное моделирование применения метода для формирования многолепестковых ДН, ДН сложной формы, показана возможность регулировки фазовой диаграммы в направлениях максимумов многолепестковой диаграммы направленности, регулировки уровня боковых лепестков, а также возможность формирования нулей диаграммы в направлении помехи. Исследована зависимость КНД многолепестковой АР от положения лучей, а так же диапазонные свойства синтезированных ДН. Выполнен анализ распределения синтезированных токов в каналах излучателей многолепестковой АР.

Выявлены закономерности изменения КНД при синтезе многолепестковых ДН. В частности, в случае двухлепестковой (3-х лепестковой) ДН при ориентации одного из лепестков в области нормали к раскрыву и отклонении второго лепестка на угол от нормали, КНД второго лепестка убывает существенно медленнее, чем , хотя при этом уменьшается и КНД первого лепестка.

В качестве примера применения алгоритма на левом поле рис.1 для АР, лежащей в плоскости , приведены конические сечения трехлепестковой ДН с весами лепестков 1, 0,707 и 0,5. Каждый лепесток объемной ДН образован пятью функциями Котельникова (углы и отсчитываются от соответствующих осей). На правом поле рис.1 приведено коническое сечение косекансной ДН плоской АР. На этом же графике для примера изображена кривая .

Рис.1 - Синтез трехлепестковой и косекансной ДН на основе метода парциальных диаграмм.

Результаты исследований, выполненные во второй главе, опубликованы в работах [1], [15].

В третьей главе рассматривается матричный метод синтеза многолепестковых ДН, основанный на максимизации функционала, имеющего смысл "распределённого" (между соответствующими направлениями) коэффициента направленного действия (нормированного квадрата модуля взвешенной суммы значений ДН в S направлениях). Применительно к элементной кольцевой АР задача формулируется следующим образом:

, (2)

где - взвешенная сумма значений ДН в S направлениях (s=1, 2…S).

, (3)

где w_s-вес S-го луча ДН.

Функционал (2) представляется в виде отношения эрмитовых форм. Алгоритм определения вектора-столбца КВК в элементах АР основан на экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм и имеет вид:

, (4)

где - квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементами

, (5)

- -мерная вектор-строка с элементами

, (6)

- ненормированная парциальная диаграмма решетки, й излучатель которой () возбужден током единичной амплитуды, * - знак эрмитова сопряжения матрицы и комплексного сопряжения скалярной величины.

В основу данного метода положен патент [2] на способ формирования многолепестковых ДН.

Рассмотрена модификация предложенного метода, связанная с наложением ограничений (сравнением уровней лепестков и обращением в нуль производных ДН в максимумах лепестков), введением трансформирующей матрицы и понижением (на число ограничений) порядка эрмитовых форм, которая обеспечивает высокую точность реализации уровней и положений лучей синтезированной ДН. Кроме того, проведено численное моделирование применения метода для формирования многолепестковых ДН и ДН сложной формы. Показана возможность регулировки формы главного луча, уровня боковых лепестков и формирования квазиизотропной ДН, а так же возможность независимого управления фазовыми ДН отдельных лучей. Моделирование проведено на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток. При этом выполнен анализ диапазонных свойств синтезированных многолепестковых ДН и анализ распределения токов в каналах излучателей.

В качестве примера на левом поле рис.2 приведены трехлепестковые ДН кольцевой АР без ограничений и ДН с наложенными ограничениями . На правом поле рис.2 изображены значения фазовой ДН кольцевой АР в направлениях максимумов лучей. Показано, что изменение фазы в пределах фазы одного из лучей (второго) практически не влияет на значения фазовых диаграмм двух отдельных лучей.

Рис.2 - Синтез основе матричного метода трехлепестковой ДН кольцевой АР с регулировкой фаз лепестков.

Результаты выполненных в главе 3 исследований опубликованы в работах [2], [4-12], [14].

Четвертая глава диссертации посвящена разработке аналитического метода фазового синтеза ДН с одним либо с двумя лепестками, ориентируемых в пространстве независимо. Решение задачи синтеза может быть применено в обычных ФАР, где нет возможности управлять амплитудой тока.

Предложенный метод фазового синтеза основан на новом запатентованном способе фазирования [3]. Его суть состоит в том, что фазовый сдвиг в каждом элементе АР устанавливается путём суперпозиции двух дискретных фазовых сдвигов: один из них с дискретом р, обеспечивающим формирование двух лепестков и разведение их на требуемый угол, а второй с более мелким дискретом, обеспечивающим совместный поворот лучей. В случае линейной антенной решетки выражение, определяющее алгоритм фазового синтеза имеет вид:

, (7)

где , - вносимые фазовые сдвиги.

Продемонстрирована возможность регулирования разности фаз главных лепестков ДН путем изменения общего уровня каждого из двух фазовых распределений, а также варьирования значениями констант округления. Проведено численное моделирование применения метода для формирования двухлепестковой ДН. Моделирование проведено на примере антенных линейных и плоских решеток. Исследованы диапазонные свойства синтезированных диаграмм направленности. В качестве примера в левом поле рис.3 приведена двухлепестковая ДН линейной АР в логарифмическом масштабе. Сечения ДН плоской АР поверхностями для первого луча и для второго представлены на правом поле рис.3.

Рис.3 - Фазовый синтез двухлепестковых ДН линейной и плоской АР.

Результаты исследований, проведенных в главе 4, опубликованы в работах [3], [13-14].

В пятой главе рассмотрены вопросы практической реализации предложенных методов. На примере вибраторных излучателей показано, что для обеспечения высокой точности синтеза этап формального синтеза должен быть дополнен этапом реализации, учитывающим электродинамические эффекты в излучающей системе. Проведена оценка влияния взаимной связи излучателей на формирование многолепестковых диаграмм направленности с помощью предложенных методов.

С этой целью по синтезированным векторам токов найдены векторы напряжений на входах вибраторов. Для этого методом наведенных ЭДС рассчитывались матрицы сопротивлений линейной, кольцевой и плоской АР, после чего применялось выражение

. (8)

Очевидно, что при приложении ко входам вибраторов напряжений в вибраторах протекают токи и реализуется синтезированная диаграмма.

Если же на этапе реализации не учитывать взаимодействие вибраторов, то есть вместо матрицы использовать матрицу , диагональные элементы которой те же, что и в матрице , а остальные элементы нулевые, то ко входам вибраторов будут приложены напряжения :

. (9)

В результате в вибраторах реализуются токи

, (10)

отличающиеся от синтезированных, что приводит к отличию реализованной и синтезированной с учетом взаимной связи диаграмм. Наиболее значительный неучет взаимной связи при синтезе многолепестковых ДН проявляется в кольцевых АР.

Оценка устойчивости матричного метода синтеза проводилась путем двойного обращения матриц, внесения случайных отклонений в элементы матрицы и исходные данные, а также нахождением чисел обусловленности матриц. Оценка устойчивости решения к погрешностям реализации амплитудно-фазового распределения проведена путем дискретизации амплитуд и фаз. Исследовано распределение токов при неучете взаимной связи излучателей, а также изменение КНД при дискретизации амплитуд и фаз. Проведен анализ вычислительных затрат, необходимых для реализации разработанных алгоритмов.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в настоящей работе, намечены перспективы дальнейших исследований.

Основные результаты и выводы диссертационной работы

Личный вклад соискателя. Принимал личное участие в постановке и решении приведенных задач синтеза и анализа. Разрабатывал алгоритмы и программы расчетов характеристик излучения и рассеяния объектов, проводил численные эксперименты.

Таким образом, на основании выполненных в диссертационной работе научных и прикладных исследований, можно констатировать, что автором решена задача разработки методов параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва, обеспечивающих формирование в реальном масштабе времени многолепестковых диаграмм направленности с произвольными фазами лепестков, имеющая существенное значение для направления радиофизики, связанного с эффективным приемом сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Алгоритм управления многофункциональными антенными решётками на основе метода парциальных диаграмм. - // "Антенны" №9 (100) 2005 г., стр.72-77.

2. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решётки / Патент № 2249890 РФ. Бюллетень изобретений, 2005 г., №10

3. Мануилов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решётки / Патент № 2258984 РФ. Бюллетень изобретений, 2005, №23.

4. Мануилов М.Б., Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности /Заявка на патент № 2006104748 от 15.02.2006 г.

5. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решётки / Труды Международной научной конференции "Излучение и рассеяние ЭМВ" ИРЭМВ-2003, Таганрог, 2003 г., с.88-91.

6. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Климухин Д.В. Безуглов Ю.Д. Новые приложения теоремы об экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм в задачах оптимизации многофункциональных антенных решеток. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции "Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005". - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г. с.101-103.

7. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Кузнецов А.А. Формирование многолепестковых диаграмм направленности антенных решёток со стабилизацией положения и уровней лучей. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции "Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005". - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г. с.46-48.

8. Безуглов Ю.Д. Влияние дискретности амплитуд и фаз токов на формирование многолепестковых диаграмм направленности антенных решеток Ростовский институт сервиса ЮРГУЭС. Сборник научных трудов. Социально-экономические и технологические проблемы развития сферы услуг. Вып.3 Том 3. Ростов н/Д: Изд-во РИС ЮРГУЭС, 2004 г. - 172с.

9. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Способ управления формой диаграммы направленности антенной решетки. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып.1. - Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. - 312 с.

10. Мануилов М.Б. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Интеллектуальная антенна для мобильной связи в условиях многолучевого распространения сигнала. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып.1. - Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. - 312 с.

11. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Формирование многолепестковых диаграмм направленности плоских антенных решеток. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып.1. - Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. - 312 с.

12. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А. Формирование многолепестковых объёмных диаграмм направленности плоской антенной решётки / Tезисы межвузовской НТК "Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем". РВИ РВ, 2003 г.

13. Мануилов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в объёмной диаграмме направленности антенной решётки с дискретными фазовращателями / Tезисы межвузовской НТК "Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем". РВИ РВ, 2003 г.

14. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануилов Б.Д. Способы формирования многлепестковых диаграмм направленности антенных решеток /В этапном отчете о НИР "Библиография-6" на спец. тему. инв. № 50368, Ростов-на-Дону, 2004 г.

15. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануилов Б.Д. Научно-методический аппарат, рекомендации по построению многолучевых антенных решеток /В этапном отчете о НИР "Библиография-6" на спец. тему. инв. №50540, Ростов-на-Дону, 2005 г.

Размещено на Allbest.ru