Проектирование сверхширокополосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений структуры измеряемого поля

Актуальность темы

Одним из важных направлений развития современных радиотехнических систем является совершенствование аппаратных и программных средств, предназначенных для приема и обработки сигналов в сверхширокой полосе частот. Это не только системы военного и специального назначения — радиолокации, радиопеленгации, радионавигации, связи и телекоммуникации, но и портативная аппаратура телекоммуникации гражданского применения — мобильные телефоны, радиомодемы доступа в Интернет, персональные компьютеры (стандарты LTE, UWB и др.).

Для приема сигналов в сверхширокой полосе частот используются различные типы антенн. Антенны Вивальди, ТЕМрупоры, вибраторы с плечами конической или полукруглой формы могут в малой степени искажать временную структуру принимаемых сигналоводнако антенные решетки, составленные из этих элементов, могут в сильной степени искажать пространственное распределение электромагнитного поля.

Тонкие вибраторные элементы и решетки, составленные из них, широко используются в аппаратуре радиоконтроля, несмотря на то, что подобные антенны могут сильно искажать временную структуру принимаемых сигналов. Аналогичная проблема возникает и с антенными системами современных мобильных телефонов, часто сформированными из Fантенных элементов в печатном исполнении.

Серьезной проблемой, в существенной степени затрудняющей использование современных методов обработки принимаемых сигналов (в частности, методов пространственного сверхразрешения источников радиоизлучения), является искажение пространственной структуры поля корпусом мобильного (или бортового) носителя антенной системы, а в случае портативной аппаратурытелом пользователя (мобильный телефон).

В работах крупнейших специалистов по обработке сигналов в приемных антенных системах: Tuncer Е., Friedlander В., Chandran S., Belloni F., Pesavento.

М. и др., описано множество подходов и методов калибровки приемных антенных решетоктем не менее, не во всех радиотехнических системах возможно использование этих достаточно сложных и трудоемких процедур. В частности, проведение процедуры калибровки принципиально невозможно в мобильном телефонегеометрия и материальные свойства мобильных и бортовых носителей приемных антенных систем могут изменяться в процессе эксплуатации, следствием чего является необходимость частого повторения данной дорогостоящей и трудоемкой процедуры.

Поэтому актуальным является создание и исследование сверхширокополосных антенных решеток, пригодных для использования в современных аппаратно-программных комплексах приема и обработки сигналов в стационарном, мобильном (или бортовом), а также в портативном исполнениивесьма актуальной задачей является создание и исследование методов автокалибровки сверхширокополосных приемных антенных систем без использования какой-либо информации о геометрии и материальных свойствах их носителей (или пользователей).

Обозначенные обстоятельства обусловливают актуальность темы настоящего исследования, выполненного в ходе ряда госбюджетных НИР кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с одним из основных научных направлений «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Объектом исследования являются сверхширокополосные приемные антенные системы для стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, а также портативной аппаратуры телекоммуникации.

Предметом исследования являются дифракционные искажения поля, вносимые приемной антенной системой и ее носителем, а также методы их компенсации на основе формирования «виртуальной» антенной решетки или калибровки приемной антенной системы.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы являются развитие и исследование методов аппроксимации электромагнитного поля вблизи приемной антенной системы, не требующих априорной информации о геометрии и материальных свойствах ее носителя, а также разработка и исследование приемных сверхширокополосных антенных систем с учетом дифракционных искажений измеряемого поля их элементами.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

— проведения анализа современного состояния и выявления проблем в области создания сверхширокополосных приемных антенных систем стационарного, мобильного (бортового) и портативного базирования;

— развития и исследования методов формирования «виртуальных» антенных решеток, обладающих повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля с помощью приемной антенной системы, расположенной на корпусе носителя и вблизи тела пользователя;

— разработки и исследования сверхширокополосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений, вносимых в измеряемое поле;

— экспериментального исследования созданных сверхширокополосных антенн и разработки методики их проектирования с учетом технологических особенностей производства.

Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, вычислительные методы электродинамики, методы математического моделирования, методы экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана методика определения области и условий применения методов формирования «виртуальных» антенных решеток, отличающаяся переходом от анализа исходной трехмерной электродинамической задачи рассеяния волн на «реальной» антенной системе и корпусе ее носителя к эквивалентной двумерной задаче, и дающая возможность аналитически описать распределение поля на плоскости, проходящей через центры антенных элементов;

— разработан и исследован метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения и обладающий повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля реальной приемной антенной системой;

— разработана методика синтеза и анализа полосковых антенных элементов, построенных на основе неоднородной щелевой линии с нагрузкой в виде симметричного вибратора с плечами эллиптической формы, позволяющая создавать кольцевые и линейные антенные решетки, функционирующие в полосе частот с коэффициентом частотного перекрытия, достигающего 3;

— разработана методика синтеза и анализа сверхширокополосных антенных систем с коммутационным сканированием, построенных на основе плоских модификаций линзы Люнеберга, отличающаяся возможностью создания многолучевых сверхширокополосных антенн с диаграммами направленности (ДН) игольчатого вида, ориентированными в азимутальной плоскости.

Практическая значимость работы заключается в создании антенных систем и математического обеспечения, позволяющих значительно повысить точностные характеристики и характеристики разрешения по угловым координатам радиопеленгаторных комплексов мобильного базирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», а также Воронежского института правительственной связи (филиала) академии ФСО РФ (г. Воронеж).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

— выяснено, что исследованные и разработанные методы аппроксимации пространственного распределения поля применимы для значений отношения радиусов «виртуальной» и «реальной» антенной решеток, вплоть до 2ч-3 — для мобильных (или бортовых) носителей и до 1.5-т-З — для мобильного телефона, находящегося вблизи головы пользователя, при числе элементов «реальной» антенной решетки от 7 до 18;

— метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения, в которой число используемых вспомогательных источников поля не равно числу элементов «реальной» антенной решетки, построенной на основе минимизации целевой функции, аргументами которой являются комплексные амплитуды вспомогательных источников;

— методика построения сверхширокополосных приемных линейных антенных решеток, основанная на использовании элементов в виде неоднородной щелевой линии, нагруженной на симметричный вибратор с плечами эллиптической формы, или сверхширокополосных вибраторов специальной формы, размещенных над проводящим экраном, позволяющая существенно ослабить взаимное влияние элементов решетки на их направленные свойства и входное сопротивление;

— методика построения сверхширокополосных приемных антенных структур с коммутационным сканированием или многолучевым режимом диаграммо-образования в азимутальной плоскости, основанная на возбуждении усеченного биконуса, а также ТЕМ — рупоров или антенн Вивальди, с помощью плоской линзы Люнеберга.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2009), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2010), XVI Международной научно-технической конференции «Инноватика 2011» (Сочи, 2011), IV Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (Суздаль, 2011), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009 — 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 10 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [47, 48, 51−53, 57, 58] - проведение численных экспериментов, математическое моделирование- [26, 27, 42] -поиск и предварительный анализ публикаций- [55] - разработка методики проведения исследования- [62, 67, 70, 96] -изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний- [81] - разработка сверхширокополосных печатных антенн.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах, содержит 89 рисунков и 12 таблиц.

4.4. Выводы по четвертой главе.

Разработаны и исследованы различные варианты построения диаграммо-образующих схем на основе модификаций плоской линзы Люнеберга для построения антенных систем с многолучевой диаграммой направленности или возможностью коммутационного сканирования в азимутальной плоскости. Получены основные зависимости, отражающие как направленные свойства разработанных антенн, так и характер их согласования с подводящим трактом.

Рассмотрены возможные пути снижения уровня заднего лепестка в диаграмме направленности разработанной антенны с полистироловыми кольцами путем использования вместо сплошных образующих биконусов системы ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди, коммутируемых в зависимости от требуемого азимутального направления приема или излучения с помощью р-ьп диодов. Показано, что использование ТЕМ-рупоров позволяет снизить на 2−3 дБ уровень заднего лепестка и повысить усиление антенны в нижней части рабочего диапазона.

Проведено макетирование антенны с ДОС из металлических концентрических колец в масштабе 1:2 относительно первичной разработанной модели. В результате экспериментальных исследований выяснено, что получаемые результаты в ходе численного моделирования являются адекватными получаемым при натурных исследованиях. Следовательно, разработанные модели также являются адекватными с точки зрения принципов и законов электродинамики и теории антенн.