Исследование и разработка комплексных решений по развитию и модернизации антенных систем приемных и передающих КВ радиоцентров, обеспечивающих существенное сокращение площадей антенных полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Рубис Александр Анатольевич

• Рубис Александр Анатольевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Рубис Александр Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПУТЕЙ КОМПЛЕКСНОГО РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ В ОБЛАСТИ РАЗВИТИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ КВ РАДИОЦЕНТРОВ

1.1 Анализ состояния, тенденций и основных проблем в области антенных систем КВ радиоцентров. Обоснование путей комплексного решения проблем,

1.2 Выбор методов и программных средств электродинамического анализа антенн и антенных систем КВ диапазона

1.3 Исследование и совершенствование устройств одновременной работы передатчиков на общую антенну

1.4 Выводы по разделу

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЮЩИХ КВ РАДИОЦЕНТРОВ

2.1 Исследование вопросов построения передающих кольцевых антенных решеток КВ диапазона

2.2 Разработка и исследование приближенной модели для анализа импедансных характеристик компактной малоэлементной передающей кольцевой антенной решетки

2.3 Исследование компактных передающих кольцевых антенных решеток КВ диапазона

2.4 Разработка методики проектирования компактных малоэлементных кольцевых антенных решеток

2.5 Выводы по разделу.........................................................................................................90,

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПРЕМНЫХ КВ РАДИОЦЕНТРОВ

3.1 Исследование и разработка способов и устройств формирования видов поляризации для триортогональных антенных элементов

3.2 Исследование характеристик малогабаритных активных триортогональных антенн с оперативным управлением видом поляризации

3.3 Исследование активных приемных кольцевых антенных решеток

на основе триортогональных элементов с оперативным управлением

видом поляризации

3.4 Выводы по разделу

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК И ИХ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ

4.1 Практическая реализация и экспериментальные исследования модернизированного триортогонального антенного элемента

4.2 Практическая реализация и экспериментальные исследования передающей кольцевой антенной решетки КВ диапазона

4.3 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка комплексных решений по развитию и модернизации антенных систем приемных и передающих КВ радиоцентров, обеспечивающих существенное сокращение площадей антенных полей»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России наблюдается качественный скачок в развитии радиосвязи КВ диапазона. Особенно актуальной КВ радиосвязь становится в случае чрезвычайных ситуаций вследствие возможного ограничения функционирования гражданских сетей.

Необходимо отметить большой интерес различных ведомств к радиосвязи с подвижными объектами в КВ диапазоне. В условиях чрезвычайных ситуаций, а также боевых действий данный вид связи имеет ряд важных преимуществ, основными из которых являются высокая живучесть, практически полная независимость от существующей инфраструктуры (для мобильных станций), гибкость, достаточно быстрая организация связи при минимальном использовании ресурсов. Благодаря невысокой стоимости, доступности и простоте используемого оборудования, современным технологиям обработки сигналов значительно повышаются возможности КВ радиосвязи.

Однако, КВ радиосвязь имеет и существенные недостатки, связанные не только с низкой пропускной способностью радиоканалов, особенностями распространения сигнала в эфире и помеховой обстановкой, но и с характером исторически сложившейся традиционной структуры КВ сетей.

Основу типовой ведомственной системы КВ радиосвязи составляет сеть передающих, приемных и совмещенных (приемо-передающих) радиоцентров, в составе которых, соответственно, имеются передающие, приемные или приемопередающие аппаратные связи и управления, а также антенные поля с набором ан-тенно-фидерных устройств и коммутационного оборудования для обеспечения работы передатчиков (приемников) на заданных трассах. Помимо радиоцентров, в составе этих сетей действуют отдельные стационарные, мобильные и быстрораз-ворачиваемые радиостанции.

Типовая система построения КВ связи уже не вполне удовлетворяет современным условиям и новым требованиям, предъявляемым к этой связи. Сложившаяся разветвленная структура передающих и приемных радиоцентров, включа-

ющих масштабные и дорогостоящие антенные поля, ионосферно-волновые службы и каналообразующие средства, весьма громоздка и достаточно зависима от воздействия природных, техногенных и иных деструктивных факторов. Владение огромными земельными участками (или их аренда), поддержание работоспособности (боеготовности) объектов, их обслуживание, охрана, периодические технологические вырубки растительности на огромных антенных полях, постоянные ремонтные и аварийно-восстановительные работы, связанные, в том числе, с актами вандализма, и т.п. - все это весьма дорого и трудоемко.

Практика показала, что проблемы радиоцентров КВ радиосвязи невозможно кардинально решить «паллиативными» техническими или организационными методами. В данном случае требуется комплексный подход, включающий в себя применение перспективных технологий связи (автоматизированная адаптация, помехоустойчивое кодирование, MIMO и т.п.), снижение эксплуатационных издержек (уменьшение площадей антенных полей, повышение КПД передатчиков и т.п.), а также организационные вопросы, связанные с повышением оперативности предоставляемых услуг связи. Одной из ключевых проблем совершенствования сетей и объектов КВ радиосвязи является проблема комплексной модернизации антенно-фидерного оборудования.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема комплексной разработки теоретических вопросов и технических решений в целях создания перспективных антенных систем КВ радиосвязи с качественно улучшенными тактико-техническими характеристиками, обеспечивающих реализацию передовых телекоммуникационных технологий и экономию площадей земельных участков.

Степень разработанности темы исследования характеризуется следующими основными достижениями.

КВ радиосвязь хорошо известна и широко используется на практике уже не один десяток лет. Вполне очевидно, что с этим связано и большое количество публикаций по данной тематике. Причем существующие работы посвящены самым разнообразным аспектам КВ радиосвязи, включая рассмотрение различных

вариантов антенн, различных вариантов согласующих и фазирующих устройств, вопросов распространения радиоволн, методов анализа и проектирования и т.п. В рамках данной работы наибольший интерес представляли публикации, посвященные разработке различных приемных и передающих антенно-фидерных устройств (АФУ), в том числе, кольцевых антенных решеток (КАР), методам их анализа и синтеза, а также вопросам влияния подстилающей поверхности на характеристики антенн [3, 4, 7, 8, 9, 11, 12, 14, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 26, 28, 29, 30, 31, 132, 33, 35, 38, 39, 132, 40, 43, 44, 47, 53, 56, 57, 61, 64, 63, 65, 58, 59, 60, 61, 70, 72, 69, 74, 75, 76, 77, 78, 83, 80, 79, 81, 85, 87, 90, 94, 93, 89, 96, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 105, 107, 114, 116, 117, 118, 119, 120, 123, 130, 132, 133, 134, 136, 137, 140, 142, 144, 145, 148, 149, 150, 153, 154, 156, 158, 160, 163, 162, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 91, 48, 126, 146, 112, 159, 109, 95, 127]. Рассматриваемым вопросам посвящены работы Г.З. Айзенберга, С.П. Белоусова, А.Л. Бузова, Л.С. Казанского, Р. Кинга, А.Д. Красильникова, Г.А. Лаврова, М.А. Леонтовича, Е.Л. Фейнберга и многих других ученых.

Хорошо известны и изучены классические КВ антенны: вибраторные, ромбические, БС и другие [32, 72, 78, 96, 150]. В настоящее время разработаны и продолжают разрабатываться различные новые типы КВ антенн: малогабаритные активные вибраторы, малогабаритные би- и триортогональные вибраторы, малогабаритные рамки, а также антенные решетки из этих элементов, как «нормального», так и «уменьшенного» радиуса [4, 35, 36, 37, 38, 40, 41, 47, 70, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 84, 69, 77, 78, 83, 80, 79, 81, 87, 90, 93, 98, 114, 116, 118, 123, 130, 132, 140, 149, 154, 160, 162, 164, 165, 166, 91].

Например, разработаны триортогональные активные антенны, представляющие собой короткие (много менее длины волны) симметричные вибраторы, расположенные в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях. Преимуществами таких антенн являются малые геометрические размеры, возможность приема сигналов с различной поляризацией, формирование различных типов диаграмм направленности [41, 80, 87].

Отдельные работы посвящены оптимизации геометрии КВ излучателей [78, 79, 72, 90, 114]. В них приводятся характеристики направленности и энергетические характеристики АФУ, реже сведения о конструкциях и практической реализации АФУ.

Современные КАР для радиосвязи должны обладать достаточной широко-полосностью, обеспечивать достаточный уровень коэффициента направленного действия (КНД), формировать необходимую поляризацию в зависимости от режима радиосвязи, а также формировать необходимую диаграмму направленности. К специфическим требованиям, предъявляемым к КАР, относится требование идентичности трактов каждого излучателя для формирования необходимых амплитудно-фазовых характеристик [33, 36, 89, 98].

Например, в литературе рассмотрена КАР на основе триортогональных активных антенн, состоящая из 16 излучателей, имеющих радиальную ориентацию. КАР рассчитана на диапазон частот 3...30 МГц. Фазирование КАР выполнялось по критерию максимизации КНД [91].

В качестве передающих КАР рассматривались одно- и двухкольцевые антенные решетки. В качестве излучателей для таких КАР выбирались полноразмерные широкополосные излучатели [90].

Активно развиваются в настоящее время и фазированные антенные решетки в данном диапазоне [17, 33, 74, 98, 123, 91]. В работах рассматривается построение фазированных антенных решеток на базе КАР, включая исследования их характеристик и конфигураций антенных элементов. Также рассматриваются вопросы практического использования фазированных антенных решеток, в том числе, и в системах радиолокации [48].

Ряд существующих работ посвящен построению систем КВ радиосвязи в целом, включая вопросы построения и оптимизации геометрии антенн, построения устройств согласования и фазирования, приемников и передатчиков, а также вопросы распространения сигналов [3, 17, 32, 36, 37, 38, 39, 42, 46, 70, 72, 74, 75, 76, 78, 81, 89, 107, 132, 140].

Для построения любого типа современных КВ антенн необходимо иметь апробированные средства их электродинамического анализа. Поэтому вопросы построения систем и АФУ КВ радиосвязи неразрывно связаны с вопросами их электродинамического моделирования. Как хорошо известно, с электродинамической точки зрения коротковолновые антенны представляют собой тонкопроволочные рассеиватели. Поэтому из всего разнообразия методов и средств электродинамического моделирования АФУ выделим те методы и средства, с помощью которых возможно эффективно рассчитывать тонкопроволочные антенны. Наиболее распространенными на сегодняшний день методами в данном направлении являются методы на основе интегральных уравнений (ИУ) [30, 43, 45, 48, 71, 145, 148, 153, 156, 167, 169, 170, 171, 172, 173, 126, 146, 112, 159, 109, 95, 127].

В рамках метода ИУ существует несколько направлений анализа проволочных антенн. В качестве первого направления отметим группу методов, основанных на строгой исходной постановке задачи относительно реальных поверхностных источников. Такие методы развиты в трудах E.H. Васильева, A.B. Сочилина, С.И. Эминова, В.А. Яцкевича и других ученых [48, 71, 126, 146]. К преимуществам данной группы методов следует отнести построение устойчивых вычислительных алгоритмов, а к недостаткам - высокую ресурсоемкость. Ко второму направлению следует отнести группу методов, также основанных на строгой исходной постановке задачи относительно реальных поверхностных источников, но с явным выделением особенности в ядрах ИУ, - методов сингулярных ИУ. Такие методы развиты в трудах Н.И. Мусхелишвили, В.А Неганова и других ученых [112, 110]. К преимуществам данной группы методов также следует отнести построение устойчивых вычислительных алгоритмов, а к недостаткам - высокую ресурсоемкость и не универсальность в смысле исследуемых геометрических форм. Областью наиболее целесообразного применения данных двух групп методов является анализ одиночных излучателей или систем с симметрией и слабоиз-лучающих структур.

В качестве третьего и наиболее широко используемого на сегодняшний день направления выделим группу методов, основанных на постановке задачи относи-

тельно эквивалентных осевых источников. Такие методы развивались в работах, Г.З. Айзенберга, Р. Митры, С.Н. Разинькова, A.B. Рунова, Р.Ф. Харрингтона и многих других отечественных и зарубежных ученых [30, 43, 45, 71, 96, 132, 145, 148, 153, 156, 167, 169, 170, 171, 172, 173, 159, 109, 95, 127]. В рамках данных методов задача ставится в тонкопроволочном приближении и сводится к уравнениям фредгольмовского типа. Данные методы наиболее широко распространены в задачах анализа антенн и реализованы во многих специальных программных средствах [73, 152, 157, 125, 124]. К основным достоинствам данной группы методов следует отнести простоту алгоритмизации, небольшую потребность в вычислительных ресурсах, универсальность в смысле пространственных форм, многолетний активный опыт их использования. К недостаткам же следует отнести наличие ограничений на радиус проводников и неустойчивость некоторых из получаемых вычислительных алгоритмов.

Как уже было отмечено выше, на основе последней группы методов было создано большое количество программных средств электродинамического анализа антенных систем, как коммерческих, так и свободно распространяемых. Среди таких программных средств можно отметить FEKO, SuperNEC, EMC Studio, EDEM, MMANA, Samant, Scater и др. [73, 152, 157, 125, 124]. Проанализировав достоинства и недостатки различных программных средств, а также их доступность для автора, в качестве основного средства электродинамического анализа антенн КВ диапазона был выбран программный комплекс (ПК) Scater [124].

Неразрывно связанными с рассмотренными выше вопросами расчета геометрических параметров и энергетических характеристик антенн в свободном пространстве являются вопросы учета влияния подстилающей (земной) поверхности на характеристики антенн. Данные вопросы являются весьма важными в рассматриваемом частотном диапазоне, так как КВ антенны располагаются вблизи поверхности земли и влияние последней на характеристики антенн является весьма значительным. Рассматриваемым вопросам посвящено большое количество работ, среди которых можно отметить труды Р. Кинга, A.C. Князева, В.П. Куба-нова, Г.А. Лаврова, М.А. Леонтовича, Е.Л. Фейнберга, С.И. Эминова и многих

других отечественных и зарубежных ученых [7, 8, 11, 44, 49, 83, 78, 85, 96, 99, 100, 101, 102, 105, 119, 120, 133, 134, 136, 137, 142, 144, 158, 163, 135].

Одним из наиболее распространенных и легко реализуемых на практике методов учета влияния земли является метод, основанный на предположении идеально проводящей земли [49, 134]. В рамках данного метода влияние земли учитывается путем построения зеркального изображения антенны с соответствующими токами. Вполне очевидно, что данный метод является весьма приближенным. На практике также широко распространен метод на основе функции ослабления [134, 135], являющийся уточненным методом зеркальных изображений.

Также хорошо известны методы, основанные на описании земли как метал-лоподобной среды путем использования импедансных граничных условий [83, 84, 105, 119, 120, 137, 142]. При этом задача может ставиться в форме ИУ для тока, наведенного на поверхности земли. Данные методы являются весьма ресурсоемкими.

Еще одним известным методом учета влияния земной поверхности является метод, основанный на использовании коэффициентов Френеля [44]. Строго говоря, применение данных коэффициентов возможно лишь в приближении плоской волны, т.е. в дальней зоне антенны. Однако, с определенной погрешностью возможно применение данного метода и вблизи антенны.

Что касается программной реализации описанных выше методов, то многие из них реализованы в программных средствах электродинамического анализа антенн. В частности, в выбранном автором ПК 8еа1ег реализованы метод зеркальных изображений и метод коэффициентов Френеля.

Таким образом, на сегодняшний день методы и средства электродинамического анализа КВ антенн и учета виляния земли развиты достаточно хорошо и позволяют разрабатывать новые, более совершенные антенны и их системы.

В целом, проведенный анализ степени разработанности темы исследования показал, что, вопросы разработки перспективных антенных систем КВ диапазона с улучшенными характеристиками являются актуальными и требующими дальнейших исследований.

Цель работы - исследование и разработка научно-технических основ создания нового поколения антенных систем КВ радиоцентров, обеспечивающих существенное сокращение площадей антенных полей.

Для достижения поставленной цели в настоящей диссертационной работе решены следующие задачи исследований:

- анализ состояния, тенденций и основных проблем в области антенных систем КВ радиоцентров, обоснование путей комплексного решения проблем, выбор методов исследований;

- исследование и совершенствование устройств одновременной работы передатчиков на общую антенну;

- разработка и исследование квазистационарной модели импедансных характеристик компактной малоэлементной передающей кольцевой антенной решетки;

- исследование компактных передающих кольцевых антенных решеток КВ диапазона;

- разработка и реализация методики проектирования компактных малоэлементных кольцевых антенных решеток;

- исследование и разработка способов и устройств формирования видов поляризации для триортогональных антенных элементов и систем;

- исследование характеристик малогабаритных активных триортогональных антенн с оперативным управлением видом поляризации и приемных кольцевых антенных решеток на их основе;

- экспериментальные исследования и практическая реализация антенных систем и их составных частей.

Объект исследований - антенные системы КВ радиоцентров.

Предмет исследований - комплексные решения по развитию и модернизации антенных систем, обеспечивающие существенное сокращение площадей антенных полей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснованы пути комплексного решения основных проблем в области развития и модернизации антенных систем передающих и приемных КВ радиоцентров на основе современных достижений и разработок в области теории и техники антенн, обеспечивающие существенное сокращение площадей антенных полей, улучшение отдельных тактико-технических характеристик антенных систем, их оперативную гибкость и новые возможности по реализации перспективных технологий радиосвязи.

2. На основе разработанной квазистационарной модели для анализа импе-дансных характеристик компактных малоэлементных передающих кольцевых фазированных антенных решеток, с последующим подтверждением строгим электродинамическим моделированием, обнаружен и исследован эффект возникновения аномальных резонансных явлений в таких решетках.

3. Разработана методика проектирования компактных малоэлементных передающих кольцевых фазированных антенных решеток, включающая синтез «компромиссных» фазовых распределений, позволяющих сгладить аномальные резонансы.

4. Разработаны подходы, требования и средства, обеспечивающие оперативное управление поляризационной характеристикой приемного триортогональ-ного антенного элемента и построение на этой основе активных приемных кольцевых фазированных антенных решеток с поляризационной адаптацией.

5. Получены новые результаты исследований передающих и приемных кольцевых фазированных антенных решеток КВ диапазона, подтверждающие качественное улучшение некоторых тактико-технических характеристик и экономию площадей земельных участков по сравнению с традиционными решениями антенных систем КВ радиоцентров.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Обоснованные автором пути комплексного решения основных проблем в области развития и модернизации антенных систем передающих и приемных КВ

радиоцентров вносят вклад в область теории и техники антенн и обладают практической значимостью как научно обоснованные рекомендации по созданию нового поколения антенных систем.

2. Обнаруженный и исследованный эффект возникновения аномальных резонансных явлений в передающих кольцевых фазированных антенных решетках расширяет знания о свойствах фазированных антенных решеток.

3. Обоснованный автором подход к расчету импедансных характеристик компактной малоэлементной антенной решетки на основе квазистационарной модели развивает методологические основы анализа антенных решеток и может найти применение при предварительной приближенной оценке характеристик достаточно широкого класса ансамблей близкорасположенных когерентных излучателей.

4. Разработанная автором методика проектирования передающих компактных малоэлементных кольцевых фазированных антенных решеток, включающая синтез «компромиссных» фазовых распределений, вносит вклад в развитие технологий проектирования антенных систем.

5. Полученные автором новые результаты исследований и практической реализации передающих и приемных кольцевых антенных решеток КВ диапазона и их составных частей расширяют знания о решениях и достижимых характеристиках в области антенных решеток, а кроме того могут непосредственно использоваться при разработке и модернизации антенных систем.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы, при активном непосредственном участии автора, успешно внедрены на предприятиях России. Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.

Работа соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.12.07 (Антенны, СВЧ-устройства и их технологии):

п1. Решение внешних и внутренних дифракционных задач электродинамики для анализа и синтеза высокоэффективных антенн и СВЧ-устройств, определения их предельно-достижимых характеристик, возможных путей построения и т.д.

п3. Исследование и разработка новых антенных систем, активных и пассивных устройств СВЧ, в том числе управляющих, фазирующих, экранирующих и других, с существенно улучшенными параметрами.

Методы исследований

При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, вычислительной электродинамики, теории антенн. Для проведения расчетов использовался прошедший государственную регистрацию отечественный программный комплекс.

Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечиваются адекватностью использованных методов и построенных на их основе расчетных моделей. Достоверность результатов работы подтверждается хорошим согласованием результатов расчетов на основе квазистационарной и строгой электродинамической моделей, а также результатами экспериментальных исследований и практической реализации антенных устройств.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной и выносимые на защиту, получены автором лично. В научных трудах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат разработка моделей и методик, а также результаты исследования характеристик устройств.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснованные пути комплексного решения основных проблем в области развития и модернизации антенных систем передающих и приемных КВ радиоцентров на основе современных достижений и разработок в области теории и техники антенн обеспечат существенное сокращение площадей антенных полей, улучшение некоторых тактико-технических характеристик антенных систем, их оперативную гибкость и новые возможности по реализации перспективных технологий радиосвязи.

2. Обнаружен и исследован на основе квазистационарной и строгой электродинамической моделей эффект возникновения аномальных резонансных явлений в малоэлементных передающих кольцевых фазированных антенных решетках при определенных фазовых распределениях.

3. Разработанная методика проектирования компактных малоэлементных передающих кольцевых фазированных антенных решеток, включающая синтез «компромиссных» фазовых распределений, позволяет сгладить аномальные резо-нансы.

4. Разработанные подходы, требования и средства управления поляризацией обеспечивают оперативное управление поляризационной характеристикой приемного триортогонального антенного элемента и построение на этой основе активных приемных кольцевых фазированных антенных решеток с поляризационной адаптацией.

5. Полученные результаты исследований и практической реализации передающих и приемных кольцевых фазированных антенных решеток КВ диапазона подтверждают экономию площадей земельных участков по сравнению с традиционными решениями антенных систем КВ радиоцентров.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на XXIV, XXV и XXVI Российских научно-технических конференциях ПГУТИ (Самара, 2017, 2018, 2019), IV Всероссийской научно-технической конференции «Системы связи и радионавигации» (Красноярск, 2017), IV Международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь» (Омск, 2017), XIX Внеочередной Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Уральск, 2018), XVI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Миасс, 2018), XX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Уфа, 2018), XI Всероссийской межведомственной научной конференции «Акту-

альные направления развития систем охраны, специальной связи и информации для нужд государственного управления» (Орел, 2019).

По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 15 печатных трудов. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, и в 11 публикациях в форме текстов и тезисов докладов на международных и российских конференциях.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПУТЕЙ КОМПЛЕКСНОГО РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ В ОБЛАСТИ РАЗВИТИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ АНТЕННЫХ СИСТЕМ КВ РАДИОЦЕНТРОВ

1.1 Анализ состояния, тенденций и основных проблем в области антенных систем КВ радиоцентров. Обоснование путей комплексного решения проблем

Как уже было отмечено выше во Введении, в рамках настоящей работы рассматриваются преимущественно антенные системы больших радиоцентров дальней магистральной КВ радиосвязи.

Типовой радиоцентр магистральной КВ радиосети обычно включает два территориально разнесенных на значительное расстояние (десятки - сотни километров) объекта - приемный и передающий радиоцентры. Каждый из них представляет собой комплекс сооружений и технических средств для одновременного приема (передачи) сигналов на различных частотах, в различных направлениях и на различные расстояния с целью организации радиосвязи с передатчиками (приемниками) других радиоцентров и радиостанций. Основными составными частями оборудования радиоцентров являются антенные и фидерные устройства с аппаратурой антенной коммутации и многократного использования антенн, радиоприемники (радиопередатчики), промежуточная и оконечная аппаратура приемного (передающего) тракта, аппаратура контроля, дистанционного управления, служебной связи и сигнализации.

Антенные поля магистральных радиоцентров занимают площади в десятки гектаров. На крупных радиоцентрах антенно-фидерные устройства и взаимодействующие с ними приемники (передатчики) обычно объединены в территориально разнесенные технические комплексы. На рисунке 1.1, в качестве примера, схематически показан план технического комплекса приемного КВ радиоцентра с антеннами БС, а на рисунке 1.2 - план антенного поля передающего радиоцентра с тремя техническими комплексами на основе антенн РГД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рубис Александр Анатольевич, 2019 год

- 1 / -

.....ли --- 3/7 --.-4/6

/

1

г"'' •

к •

$ ,н

_/ , *

/ ,' - & . ,'А ■ ■ ■

■.. ■п

/ А ■

—----- =-----

■'•-У

10 !1 12 13 М 13 16 17 18 19 20 23 22 23 24 £МГд

Ш1(Г 1.4x10"

1кЦГ

а оо

*

ю" 400

£ 200 о

-200 -400 -«>0 -Й00

- 1 — 1 .....2/8 --- 3/7 4/6 -5

...

■л

\

—

12 13 14 15 1« £ МГц

Рисунок 2.22 - Частотные зависимости мнимых частей импедансов симметричных вибраторов в составе 8-элементной фазированной КАР

а: 4(

е

1 ! •

- V т.1

V. % \х ч ■ 41 % Ы Г 1 1 - :г

1 ч*-\Ч к ч /

V- \ 1 ■ 1 1

\ . .1 \ //

\ т . \ , 1 1 ; *— 1 1 . - И"

у V — 1

<1 "г- .... зй --- з-'.-1 л -

5

--

п №

£ и

Рисунок 2.23 - Частотные зависимости КСВН в трактах симметричных

вибраторов в составе 8-элементной фазированной КАР Аналогичное моделирование проведено в ПК Scater и САПР Feko. Результаты моделирования КСВН в трактах вибраторов в составе КФАР приведены на рисунке 2.24. На рисунке линиями отмечены результаты расчетов в ПК Scater, а ромбами - значения, полученные в FEKO (на частоте 12 МГц).

1" \ \ ( ч

У-' \ 1 \ \

\ \[ \ 1

\ ( ^ 1 -

\ к 1

\ ^ \ (/

О \ у -

. 4 . \ \

X '4 кО.\ ■V

5 7 ) 0 1 2 3 5 6 1 8 9 0 ] 2 3 14

1 \

<

-3<У

£ МГц

Рисунок 2.24 - Частотные зависимости КСВН в трактах симметричных вибраторов в составе 8-элементной фазированной КАР (Scater и Feko)

Из сопоставления графиков на рисунках 2.23, 2.24 видно, что результаты расчетов на основе строгих электродинамических методов (Scater и Feko) и результаты моделирования на основе разработанной приближенной квазистационарной модели находятся в хорошем соответствии.

Далее, были исследованы возможности проведения оптимизации геометрических параметров приведенной малоэлементной КФАР для достижения заданных электродинамических характеристик антенной системы [187]. При проведении расчетов варьировались следующие геометрический характеристики системы: длина плеча симметричного вибратора 4 < I < 9 м с шагом 0,1 м и радиус КФАР 5 < Я < 30 м с шагом 0,25 м. На верхнем левом графике рисунка 2.25 приведена зависисмость КСВН в тракте 1-го вибратора от радиуса КФАР (ось абсцисс) и длины плеча вибратора (ось ординат).

На верхнем правом графике приведены соответствующие изолинии уровней КСВН для 1-го вибратора. Остальные графики рисунка отображают изолинии уровней КСВН остальных вибраторов, входящих в состав КАР. Расчеты проведены для частоты / = 12 МГц.

Рисунок 2.25 - Зависимость КСВН в трактах антенных элементах от геометрических характеристик антенной решетки

На рисунке 2.26 отображена область геометрических характеристик антенной решетки, при которых достигаются требуемые электродинамические параметры системы в целом: так, верхний рисунок соответствует требованиям не превышения КСВН в трактах элементов кольцевой антенной решетки значения 20, нижний рисунок - не превышения значения КСВН = 5.

Рисунок 2.26 - Результаты параметрической оптимизации

Таким образом, на основании исследований, проведенных с использованием разработанной квазистационарной модели взаимодействующих вибраторов, удалось показать эффект возникновения аномальных значений КСВН в трактах антенных элементов при определенных геометрических и электродинамических параметрах излучателей и решетки.

Данный эффект проявляет себя в большей степени в компактных малоэлементных КФАР.

2.3 Исследование компактных передающих кольцевых антенных решеток КВ диапазона

Из представленных выше результатов анализа импедансных характеристик КФАР следует, что резонансные эффекты в большей степени проявляются в малоэлементных компактных широкополосных КФАР. Это связано с тем, что с уменьшением расстояний между антенными элементами растет их взаимная связь, что негативным образом отражается на электродинамических параметрах антенной системы в целом.

Более того, в соответствии с современными тенденциями организации радиоцентров и радиокомплексов ДКМВ связи важным критерием их проектирования являются отводимые под размещение комплексов земельных площадей. Это связано как с высокой стоимостью земельных участков, так и экономическими показателями в плане обслуживания радиоцентров. Ситуация усугубляется в случае размещения нескольких антенных систем в составе радиоцентра [91].

Помимо земельных площадей важным критерием принятия решения о проектировании той или иной конфигурации КФАР является стоимость входящих в состав антенной системы цифровых возбудителей [45, 50]. В связи с этим имеет место тенденция уменьшения количества излучателей в составе КФАР.

Все выше сказанное приводит к тому, что на практике при проектировании КФАР КВ диапазона приходится достигать компромисса между экономическими показателями объекта и электродинамическими характеристиками антенной системы.

Одновременно с этим, как было отмечено ранее, компактность антенного решения продиктована также его широкополосностью, поскольку верхняя частота рабочего диапазона накладывает ограничение сверху на радиус кольцевой структуры.

Таким образом, рассмотрим в данном подразделе широкополостную КФАР, состоящую из восьми антенных элементов [176].

Восьмиэлементная антенная решетка является малоэлементной. В такой структуре, как это было показано в подразделе 2.2, возникают отрицательные значения КСВН в трактах антенных элементов в определенных диапазонах частот.

Для решения задачи проектирования такой широкополосной КФАР и устранения негативных эффектов был разработан антенный элемент, представляющий собой шунтовой биконический несимметричный вибратор, состоящий из проволок, пространственное расположение которых формируется с использованием системы диэлектрических опор и оттяжек [176].

При этом биконическая поверхность формируется из восьми равномерно расположенных образующих. Основание конических поверхностей представляет собой проводящее кольцо, соединенное с проводящей подстилающей поверхностью (экраном) посредством проводника-шунта.

Вершина нижнего конуса расположена на высоте к от подстилающей поверхности. Под параметром I будем понимать общую высоту антенного элемента, d - диаметр антенного элемента (диаметр основания конусов).

С электродинамической точки зрения данный излучатель можно отнести к типу проволочных шунтовых широкополосных излучателей.

Вид антенного элемента приведен на рисунке 2.27.

V

>

Рисунок 2.27 - Внешний вид шунтового широкополосного излучателя

Данный антенный элемент продемонстрировал свойства широкополосности в 3,5-кратном диапазоне частот при уровне КСВН = 10 и 4-кратном при уровне

КСВН = 20 при относительно небольших высотах излучателя (порядка 7 м) (см. рисунок 2.36).

С использованием данного антенного элемента была построена КФАР из восьми излучателей, расположенных по окружности с радиусом Я [176].

Внешний вид модели малоэлементной КФАР приведен на рисунке 2.28. Здесь же приведена электродинамическая модель КФАР с распределением тока на частоте 10 МГц и синтезированной диаграммой направленности.

Рисунок 2.28 - Электродинамическая модель 8-элементной КФАР

Было проведено электродинамическое моделирование вариантов антенной системы с различными параметрами для определения оптимальной конфигурации КФАР, предназначенной для работы в диапазоне частот 6 - 25 МГц. Параметры варьировались в следующих пределах: 6 < Я < 8,5 м, 4,5 < I < 6,5 м, 2 < й < 4 м, 0,5 < к < 1,2 м. При этом общее число вариантов составило значение порядка 5 000.

В подразделе 2.1 в качестве метода решения задачи согласования антенного решения на определенных частотах, на которых проявляются негативные резонансные эффекты, предлагался вариант «сокращение» КФАР путем подключения баластных нагрузок в тракт излучателей с высоким и аномальным значением естественного КСВН [184].

Результаты проведенного анализа и исследования показали, что в данном случае для устранения негативных резонансных эффектов эффективным является использование «компромиссного» фазового распределения [184, 176, 186]. Суть найденного способа заключается в том, что при «идеальном» фазировании все антенные элементы сфазированы относительно первого излучателя, до которого дошел фронт падающей волны при использовании метода максимизации КНД, компромиссное же фазовое распределение предполагает фазирование излучателей относительно второго излучателя, отличающегося от первого с точки зрения набега фазы, при этом фаза первого (-ых) излучателя (-ей) выставляется равной фазе второго (-ых) излучателя (-ей).

Второй способ использования «компромиссного» фазового распределения заключается в том, что фазовое распределение, соответствующее меньшей частоте, применяется при формировании луча на более высокой частоте, однако данный способ оказался эффективным только на нижних частотах исследуемого диапазона.

Качественно, суть использования «компромиссного» фазового распределения заключается в нарушении на определенной частоте интерференционной картины поля, возникающей в кольцевой структуре и приводящей к возрастанию по-

ля в точках пространства, соответствующих локализации фазовых центров определенных антенных элементов.

В результате проведенного анализа за оптимальную принята конфигурация с параметрами антенной системы N = 7,5 м, I = 5,6 м, й = 3 м, к = 0,7 м. Найдено со-ответсвующее оптимальное амплитудно-фазовое распределение [176].

При этом в диапазоне частот 6 < / < 7 МГц не удается сформировать достаточно направленного излучения при сохранении удовлетворительных импеданс-ных характеристик антенной системы. В диапазоне частот 7,5 < / < 13,5 МГц негативные резонансные эффекты удается устранить с использованием «компромиссного» амплитудно-фазового распределения ценой небольшого (порядка 0,5 дБ) снижения КНД.

Полученные таким образом значения КСВН в трактах антенных элементов при «центральном» формировании максимума излучения (ф = 0), изображены на рисунке 2.29. Соответствующие значения действительных и мнимых значений импедансов антенных элементов приведены на рисунке 2.30.

£ МГц

2ШУ-

£МГц

Рисунок 2.30 - Частотные зависимости действительных (верхний рисунок) и мнимых (нижний рисунок) частей импедансов антенных элементов в составе кольцевой ФАР при центральном формировании максимума излучения

На рисунке 2.31 приведена частотная зависимость КНД 8-элементной кольцевой антенной решетки при формировании максимума излучения в центральное направление. Видно, что в диапазоне 7,5 < / < 25 МГц данное антенное решение демонстрирует высокие характеристики направленности при обеспечении достаточно хороших импедансных характеристик. Об этом так же свидетельствуют приведенные на рисунке 2.32 трафики частотной зависимости ширины главного лепестка в азимутальной (ф) и меридиональной (0) плоскостях по уровню -3 дБ. При этом в диапазонах частот 6 < / < 7 МГц и 25 < / < 27 МГц излучение имеет всенаправленный характер в азимутальной плоскости с КНД = 4,5 дБ.

Диаграммы направленности для определенных частот диапазона приведены на рисунке 2.33.

Рисунок 2.31 - Частотная зависимость коэффициента направленного действия антенной решетки в направлении формирования максимума излучения ф = 00 и ф = 22,50

Рисунок 2.32 - Частотная зависимость ширины главного лепестка в меридиональной (0) и азимутальной (ф) плоскостях при формировании максимума излучения в направление ф = 00 и ф = 22,50

6 МГц

is:

mu

7 7ti

131

M

■

i I ¡C •

Л- •

SM M* ■

* \>{ :/.. .V

Î1Ï -Í5D

tí*

7,5 МГц

3S) . JO

8,5 МГц

13,5 МГц

■ SM J»

!Щ _.--■ 1511

ta>

15 МГц

5 \ 10 но;

... >Л / ■>.' /

* -5

\

I а II.

I I

■ям мл■

74Л МП

7Н)

1» . ео

<8* II

20 МГц

за

)0 ИХ

744 МП

7»

1!» II

25 МГц

■ ЯМ Ж

31» ______15П

26 МГц

Рисунок 2.33 - ДН в азимутальной (левые) и меридиональной (правые) плоскостях при центральном формировании максимума излучения

Можно заметить, что в диапазоне частот 20 < / < 25 МГц, ширина диаграммы направленности в азимутальной плоскости составляет порядка 40 0. Таким образом, для 8-элементной решетки в данном случае при использовании свойств поворотной симметрии организация связи без «провалов» в любое азимутальное направление не представляется возможной. В связи с этим, для решения данной проблемы необходимо иметь возможность синтеза максимума ДН в «промежуточное» направление (ф = 22,50).

Такой синтез осуществлен для диапазона частот 12 < f < 25 МГц, поскольку для других частот синтез максимума ДН в промежуточное направление является избыточной задачей. Так на рисунке 2.34 представлены частотные зависимости КСВН в трактах антенных элементов при формировании максимума излучения в направление с азимутом ф = 22,50.

20 19

17 16 15 14

-

- 1/2 .....3/8

1П

- -

■ у

7

"к ■ { у 7ГТ

\ ■ 'г. __ ■■/г

\

V

г ' ' - __ --- — *г

■ ж -

—-;

12 14 15 16 17 18 15 20 21 22 23 24

£ МГц

Рисунок 2.34 - Частотная зависимость КСВН в 50-омных трактах антенных элементов 8-элементной КАР при «промежуточном» направлении формирования максимума излучения

Видно, что характер зависимости и диапазон изменения значений КСВН не изменились.

На рисунке 2.35 приведены ДН для данного варианта формирования максимума излучения. Видно, что ДН синтезировалась в заданное направление и обеспечивает заданный уровень коэффициента направленного действия.

В таблице 2.4 приведены фазовые распределения для рассчитанных частот диапазона для центрального и «промежуточного» направления формирования максимума ДН. Так, для частот, где необходимы оба варианта формирования, прямым шрифтом выделено фазовое распределение для центрального формирования максимума а курсивом - фазовое распределение, соответствующее промежуточному направлению.

180 ■

12 МГц

15 МГц

па - ■

<■ А /

ГуС К / Тчх

\

X

но

/Л

-5

-10;?'

N. \ еа

Ча^ГЛ

) I I

\ V ! I

- . О 270 ■

Ж

шж

I /

I I I

V

\Л

С/

V / >

V /

V"

ЖЧ

20 МГц

Л \

10

! ,1 I

/120

■ж / у"

' 150

25 МГц

Таблица 2.4.

Фазовые распределения

f, МГц ф1 ф2 ф3 ф4 ф5 ф6 ф7 ф8

6 0 0 0 0 0 0 0 0

6,5 0 0 0 0 0 0 0 0

7 0 0 0 0 0 0 0 0

7,5 0 22 78 158 188 158 78 22

8 0 26 84 169 209 169 84 26

8,5 0 0 64 148 199 148 64 0

9 0 0 70 150 208 150 70 0

9,5 0 0 72 151 211 151 72 0

10 0 0 72 150 210 150 72 0

10,5 0 0 73 149 208 149 73 0

11 0 0 73 148 203 148 73 0

11,5 0 0 74 147 197 147 74 0

12 0 0 76 148 191 148 76 0

0 0 60 139 200 200 139 59

12,5 0 0 79 150 187 150 79 0

0 0 62 143 200 200 143 62

13 0 0 82 154 187 154 82 0

0 0 66 148 203 203 148 66

13,5 0 0 86 159 190 159 86 0

0 0 70 155 209 209 155 70

14 0 40 132 207 236 207 132 40

0 0 74 164 218 218 164 74

14,5 0 42 139 217 246 217 139 42

0 0 78 173 228 228 173 78

15 0 43 146 227 257 227 146 43

0 0 82 181 238 238 181 82

15,5 0 44 152 237 -91 237 152 44

0 0 84 190 249 249 190 84

16 0 45 158 247 -80 247 158 45

0 0 86 198 -100 -100 198 86

16,5 0 45 162 256 -69 256 162 45

0 0 88 205 -90 -90 205 88

17 0 46 167 264 -58 264 167 46

0 0 90 212 -80 -80 212 90

17,5 0 46 171 -87 -46 -87 171 46

0 0 91 218 -70 -70 218 91

18 0 47 176 -78 -34 -78 176 47

0 0 93 225 -59 -59 225 93

18,5 0 48 181 -69 -22 -69 181 48

0 0 95 232 -49 -49 232 95

19 0 50 186 -60 -8 -60 186 50

0 0 97 239 -38 -38 239 97

19,5 0 52 192 -50 6 -50 192 52

0 0 99 247 -27 -27 247 99

20 0 54 198 -39 22 -39 198 54

0 0 102 256 -15 -16 256 102

20,5 0 58 205 -27 39 -27 205 58

0 0 105 -95 -4 -4 -95 105

21 0 64 214 -13 57 -13 214 64

0 0 109 -86 6 6 -86 109

21,5 0 72 225 4 72 4 225 72

0 0 114 -76 16 16 -76 114

22 0 80 236 19 68 19 236 80

0 0 119 -66 23 23 -66 119

22,5 0 86 244 30 29 30 244 86

0 0 123 -58 28 28 -58 123

23 0 88 246 36 18 36 246 88

0 0 126 -51 31 31 -51 126

23,5 0 88 245 40 21 40 245 88

0 0 129 -45 33 33 -45 129

24 0 87 243 42 28 42 243 87

0 0 131 -40 36 36 -40 131

24,5 0 87 241 47 37 47 241 87

0 0 134 -35 40 40 -35 134

25 0 89 243 57 54 57 243 89

0 0 141 -26 48 48 -26 141

26 0 0 0 0 0 0 0 0

27 0 0 0 0 0 0 0 0

Следует отметить, что важным этапом при разработке и проектировании КФАР является проведение предварительных испытаний. Поэтому важным параметром, свидетельствующим о корректности произведенных расчетов, является измеряемое значение импеданса одного активного антенного элемента в составе антенной решетки при подключении к остальным согласованных нагрузок. Это связано с тем, что проведение непосредственных измерений параметров антенных элементов в режиме работы всех излучателей без специально разработанных методик и электронных схем не представляется возможным. Таким образом, на рисунке 2.36 приведены импедансные характеристики одиночного вибратора и одного активного вибратора в составе КФАР. Из сопоставления представленных графиков можно качественно судить о степени взаимовлияния антенных элементов. Видно, что взаимовлияние особенно проявляется на частотах 6 - 12 МГц и 22 - 25 МГц. При этом из рисунка 2.29 следует, что именно в первом диапазоне

проявляются аномальные значения КСВН в трактах антенных элементов кольцевой ФАР, а во втором диапазоне прослеживаются тенденции к возрастанию КСВН.

Расчеты были проведены для случая сплошной металлизации в качестве подстилающей поверхности. На практике такой подход не представляется возможным, однако в КВ диапазоне металлическая сетка радиально-расходящихся лучей достаточно хорошо реализует заданные свойства подстилающей поверхности [96]. Проведенные оценки позволяют утверждать, что в качестве металлизации может быть выбрана система 32 радиально расходящихся от центра проводников длиной 50 м.

2.4 Разработка методики проектирования компактных малоэлементных кольцевых антенных решеток

Таким образом, как показали проведенные исследования, в компактных малоэлементных широкополосных КФАР возникают резонансные эффекты, связанные с видом формируемых фазовых распределений и пространственным расположением излучателей в АС, приводящие к возникновению высоких и аномальных значений КСВН в трактах антенных элементов при формировании максимума излучения в заданное направление.

Для решения данной проблемы предлагается методика проектирования компактных широкополосных кольцевых фазированных антенных решеток [186]. Блок схема методики приведена на рисунке 2.37.

В результате анализа тактико-технических (ТТТ), а также технико-экономических требований (ТЭТ) осуществляется определение ключевых параметров антенной решетки, таких как количество излучателей в составе КФАР, допустимый уровень КСВН в трактах антенных излучателей и прочее. При этом определение данных параметров может осуществляться с использованием приближенных оценок характеристик кольцевой ФАР на основе разработанной автором квазистационарной модели анализа (см. п.2.3) [185].

Начало

Задание тактико-технических требований (ТТТ) к антенной системы по назначению (диапазон частот, требуемые характеристики направленности, предельный уровень КСВН, стойкость) а также технико-экономических требований (ТЭТ)

Корректировка ТТТ и ТЭТ

Осуществлялся синтез

«компромиссного» ФР?

Проектирование антенного согласующего устройства

Конец

Рисунок 2.37 - Блок схема методики проектирования компактных малоэлементных кольцевых фазированных антенных решеток

да

Следующим этапом является подбор типа излучателя, который должен отвечать как требованиям к электродинамическим параметрам антенной системы (широкополосность), так и требованиям стойкости антенной системы к внешним воздействиям. При этом подбор геометрических характеристик антенного элемента должен осуществляться одновременно с подбором параметров кольцевой структуры в целом (радиус решетки, амплиту дно-фазовой распределение и пр.). При достижении требуемых электродинамических характеристик системы антенный элемент с соответствующими найденные геометрическими параметрами подлежит анализу на прочностные свойства. В случае неудовлетворительных результатов такого анализа геометрические параметры антенного элемента подлежать уточнению с дальнейшей проверкой требований к электродинамическим характеристикам антенной системы.

В случае малоэлементной КФАР при возникновении в трактах антенных элементов на определенных частотах диапазона отрицательных значений КСВН необходимо решать проблему согласования излучателей на данных частотах либо выбором «компромиссного» фазового распределения (см. п.2.3), либо «сокращением» КФАР (см. п.2.1). При этом приоритет поиска «компромиссного» фазового распределения выше [184, 186].

Определены следующие подходы по решению проблемы согласования антенных элементов с трактами передатчиков:

- оптимизация геометрических параметров антенной системы;

- «сокращение КФАР» путем подключения балластных нагрузок;

- синтез «компромиссного» амплитудно-фазового распределения, обеспечивающего приемлемый уровень взаимного влияния элементов за счет некоторого уменьшения коэффициента направленного действия антенной решетки.

При этом оптимизация геометрических параметров антенной системы включает в себя:

- выбор конструкции антенных элементов и их количества в составе антенной решетки;

- оптимизацию геометрических параметров антенного элемента (высота, ширина и пр.);

- оптимизацию радиуса антенной решетки.

В случае неудовлетворительного решения задачи согласования антенных элементов в определенных полосах частот принимается решение либо о запрете работы в данных частотных диапазонах, либо об увеличении количества излучателей в составе решетки с изменением, соответственно ее радиуса и прочих параметров антенной системы, что может отражаться на пересмотре ТТТ и ТЭТ.

После определения электродинамических параметров КФАР принимается решение о разработке соответствующего антенного согласующего устройства (АнСУ) [13].

Применение данной методики [176] позволяет избавиться от негативных резонансных эффектов и добиться требуемых характеристик компактной фазированной антенной решетки.

На основе использования данной методики было разработано эффективное решение КФАР КВ диапазона, состоящей из восьми широкополосных излучателей (см. п. 2.3) [176], обладающее высокими перспективами внедрения.

2.5 Выводы по разделу

В данном разделе выполнены исследование и разработка антенных систем передающих КВ радиоцентров.

Показано, что передающие КВ антенны должны обладать свойствами ши-рокополосности. Вместе с тем, в силу тактико-технических и технико-экономических требований, предъявляемых к современным радиоцентрам, антенны должны быть компактными.

Перспективным направлением реализации КВ антенн являются КФАР. Данная топология решетки обеспечивает возможность формирования максимума ДН в любое азимутальное направление без усложнения диаграммообразующей системы за счет реализации свойств поворотной симметрии. Для приемных АС

имеется возможность одновременного независимого обслуживания нескольких направлений.

Проведено сравнение характеристик направленности КФАР с соответствующими характеристиками существующих антенных систем, в частности, ромбических антенн. Показано, что КФАР имеет схожие характеристики направленности при существенно меньшей занимаемой площади.

Показано, что широкополосность антенной системы накладывает ограничения сверху на ее геометрические размеры, поскольку при достаточно большом расстоянии между элементами не удается сформировать приемлемую для работы ДН на верхних частотах диапазона. При этом на нижних частотах диапазона антенная решетка становится переуплотненной. Как показали проведенные исследования, в компактных малоэлементных широкополосных кольцевых антенных решетках возникают резонансные эффекты, связанные с видом формируемых фазовых распределений и пространственным расположением излучателей в АС, приводящие к возникновению высоких и аномальных (отрицательных) значений КСВН в трактах антенных элементов при формировании максимума излучения в заданное направление.

Для возможности приближенного анализа электродинамических характеристик малоэлементных компактных КФАР была построена квазистационарная модель КФАР, позволяющая оценить импедансные характеристики входящих в состав антенной системы элементов. Результаты, полученные при исследовании разработанной квазистационарной модели, подтвердили возникновение аномальных значений КСВН в трактах антенных элементов при определенных геометрических и электродинамических параметрах излучателей и решетки. При этом результаты исследований на основе разработанной квазистационарной модели находятся в хорошем соответствии с результатами, полученными на основе использования строгих методов математического моделирования.

Проведенные исследования на основе электродинамического моделирования компактной КФАР позволили выявить основные пути решения описанной проблемы, включая:

- оптимизацию геометрических параметров антенной системы;

- «сокращение КФАР» путем подключения балластных нагрузок;

- синтез «компромиссного» амплитудно-фазового распределения, обеспечивающего приемлемый уровень взаимного влияния элементов за счет некоторого уменьшения КНД антенной решетки.

При этом оптимизация геометрических параметров антенной системы включает в себя:

- выбор конструкции антенных элементов и их количества в составе антенной решетки;

- оптимизацию геометрических параметров антенного элемента (высота, ширина и пр.);

- оптимизацию радиуса антенной решетки.

На основе проведенных исследований разработана методика проектирования компактных малоэлементных КФАР.

Основные результаты, приведенные в разделе 2, опубликованы в трудах автора [176, 184, 185, 186, 187].

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПРЕМНЫХ КВ РАДИОЦЕНТРОВ

3.1 Исследование и разработка способов и устройств формирования видов поляризации для триортогональных антенных элементов

В настоящее время важной научно-технической задачей является разработка решений антенных систем приемных КВ радиоцентров, поскольку они также нуждаются в дальнейшей модернизации приемо-передающей аппаратуры как в целях повышения качества обслуживания сетей связи, так и в снижении эксплуатационных издержек. В частности, достаточно остро в настоящее время стоит проблема сокращения площадей антенных полей.

В состав приемного КВ радиоцентра (см. п.1.1) обычно входит набор АФУ, обеспечивающий функционирование связи в условиях различной оперативной обстановки, а также при распространении радиоволн на различных по протяженности трассах, определяющих дальность радиосвязи. В КВ радиосвязи выделяют короткие (до 200 ... 400 км), средние (от 200 ... 400 км до 1000 км), протяженные (от 1000 км и выше) трассы распространения радиоволн, а также трассы прямой видимости, на которых имеет место распространение земных радиоволн на расстояние, ограничивающееся горизонтом, с учетом высот подвеса антенн [55, 62]. Необходимо также уточнить, что антенны, которые обеспечивают связь на коротких и средних трассах, обычно работают в низкочастотной области КВ диапазона, ограничивающегося частотой, равной около 9 МГц. Антенны, обеспечивающие связь на протяженных трассах, работают на более высоких частотах, вплоть до граничной частоты КВ диапазона - 30 МГц.

В свою очередь, антенные системы по видам обслуживаемых трасс можно подразделить по нескольким типам. Во-первых, это тип антенн, обеспечивающих радиосвязь на коротких и средних трассах, во-вторых, тип антенн для средних и протяженных трасс и, наконец, тип антенн обеспечиваю-

щие радиосвязь земной волной на трассах прямой видимости. Основное отличие данных типов антенн заключается в их характеристиках направленности, а именно в форме ДН. Здесь следует отметить, что наклон ДН во многом определяет расстояние, на котором будет обеспечиваться радиосвязь [62,47,96].

В частности, антенны, предназначенные для обеспечения связи на трассах короткой и средней протяженности, работающие в нижней части КВ диапазона, обладают ДН в угломестной плоскости, у которых главный лепесток ориентирован в зенит. С увеличением частоты происходит расширение главного лепестка, а затем, начиная с определенной частоты, происходит расщепление на два лепестка с наибольшими КНД, направленных под меньшими углами места. У антенн, работающих на средних и протяженных трассах, главный лепесток ДН в угломестной плоскости ориентирован под небольшими углами места. Причем с увеличением частоты имеет место уменьшение угла места главного лепестка ДН.

В условиях особой оперативной обстановки также должны входить в состав приемного КВ радиоцентра и такие антенны, полное развертывание и приведение в рабочее состояние которых, должно осуществляться в минимальные сроки. Такие антенны получили название быстроразворачиваемых [33].

Основной подход к модернизации приемных КВ радиоцентров связан с заменой имеющихся направленных антенн многолучевыми активными КФАР [92,37]. Выбор КФАР обусловлен необходимостью перекрытия всех требуемых азимутальных направлений с определенным КНД. Здесь следует отметить также, что количество излучающих элементов антенной решетки выбирается, исходя из требуемого значения КНД. В свою очередь, выбор активной решетки обусловлен, во-первых, необходимостью работы решетки во всем КВ диапазоне, т.е. для обеспечения широкополосности, а во-вторых, возможностью использования излучателей, размеры которых много меньше

половины длины волны средней части рабочего диапазона, в целях сокращения площадей антенных полей.

Неоднородность ионосферы в КВ радиосвязи приводит к тому, что электромагнитные волны достигают точки приема, во-первых, под разными углами и за разное время (многолучевое распространение [55,62]), а, во-вторых, за счет гиротропных эффектов, с измененным видом поляризации. Вследствие этого на протяженных трассах КВ радиосвязи имеют место два вида волн - нормальные (Е0) и аномальные (Ех) [151,147], распространяющиеся по одинаковым траекториям с противоположными эллиптическими поляризациями (см. рисунок 3.1). В результате интерференции этих волн уровень волн линейной поляризации в минимумах интерференционной картины оказывается низким.

Рисунок 3.1 - Нормальный и аномальный режимы распространения

Однако, в связи с тем, что подобные режимы распространения обладают противоположной поляризацией [161], использование антенн с несколькими видами поляризации позволяет несколько повысить энергетику.

Наведенный на антенне электромагнитным полем электрический сигнал представляет собой линейную взвешенную сумму его 3 пространствен-

но нос ф ера

Ех

| Земная поверхность ;

ных компонент, где весовые коэффициенты определяются геометрией антенны [151]. С другой стороны, пространственное распределение электромагнитного поля зависит как от характеристик направленности антенны, так и от поляризации волны, в связи с чем, можно вести некоторую функцию ^(б, р), где 0 - азимутальный или угломестный угол прихода электромагнитной волны, р - коэффициент поляризации, описывающую пространственные и поляризационные характеристики излучателя антенны. Соответственно каждый излучатель имеет свою подобную функцию.

Результирующий сигнал, принимаемый антенной, можно записать следующим образом [147]:

х(г )=& (вк, Рк К (г) (3.1)

к=1

где ^к (г) - падающая на антенну электромагнитная волна.

В свою очередь, оценка зк (г) равна:

N

Зк (г )=! щл (г), (3.2)

1=1

где - весовые коэффициенты.

Кроме того, в КВ диапазоне при работе с земной волной используется линейная вертикальная поляризация, поскольку волны с такой поляризацией при распространении вдоль поверхности менее подвержены ослаблению, чем волны линейной горизонтальной поляризации [55,62,113].

Таким образом, как показывают исследования [147], использование антенн с несколькими видами поляризаций, в т.ч. с ортогональными, в целом, позволяет увеличить значение отношения сигнал/шум на приемном конце.

В связи с этим, в целях повышения энергетических характеристик сетей КВ радиосвязи перспективен подход, суть которого состоит в приеме нескольких типов поляризационных составляющих электромагнитных волн и их комбинаций с последующим взвешенным суммированием [88]. Иначе говоря, происходит выбор оптимальной поляризации, при которой имеет место

наибольшая энергетика, в частности, при которой значение отношения сигнал/шум максимально.

Перспективным вариантом в данном случае может оказаться использование триортогональных антенных элементов (ТАЗ) (см. рисунок 3.2), представляющих собой три взаимно ортогональных вибратора с малошумящими усилителями на основе высокоимпедансных дифференциальных усилителей с относительно равномерной частотной зависимостью коэффициента усиления в рабочем диапазоне [141], длины которых гораздо меньше длины волны.

Рисунок 3.2 - Триортогональный антенный элемент

Использование подобных ТАЗ позволяет осуществлять прием электромагнитных волн различных поляризаций, а именно линейную вертикальную, линейную горизонтальную, а также эллиптическую, причем как с левым вращением вектора напряженности электрического поля, так и с правым. В свою очередь, это позволит обеспечить согласование приемной и передаю-

щей антенн по поляризации и, как следствие, улучшить энергетические характеристики радиолинии.

Кроме того, подобный подход реализует поляризационное разнесение радиоканалов, нашедшее широкое применение в системах MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) [106,16,155]. Технология MIMO - метод пространственно-временного кодирования, предполагающий наличие нескольких антенных систем, обеспечивающих одновременную передачу информации по нескольким слабокоррелированным подканалам связи на одних и тех же частотах. В предположении высокой кроссполяризационной развязки между излучателями, использование триортогональных элементов позволяет реализовать систему MIMO 3*3, позволяющую значительно увеличить пропускную способность систем радиосвязи и тем самым, улучшить качество обслуживания (Quality of Service - QoS) [86,52,82].

Для выделения того или иного вида поляризации электромагнитных волн предлагается коммутирующе-согласующее устройство, структурная схема которого, представлена на рисунке. 3.3. Данное устройство в рамках диссертационной работы будем называть блоком поляризационной обработки (БПО). Данный БПО позволяет обеспечить одновременный прием нескольких видов поляризаций. Исходя из соображений эффективности, в работе предлагается девять видов комбинационных поляризаций, с четырьмя из которых может одновременно и независимо работать БПО.

В частности, предполагается работа со следующими видами поляризации:

- линейной вертикальной;

- линейной горизонтальной в направлении, соответствующем "нулевому" азимуту антенной системы (Г1);

- линейной горизонтальной в направлении, перпендикулярном "нулевому" азимуту антенной системы (Г2);

- эллиптической с правым направлением вращения вектора напряженности электрического поля (Г1 и Г2 - правая);

- эллиптической с левым направлением вращения вектора напряженности электрического поля (Г1 и Г2 - левая);

- эллиптической с квадратурным сложением вертикальной линейной поляризации и горизонтальной линейной поляризации Г1 (В1 и Г1- левая);

- эллиптической с квадратурным сложением вертикальной линейной поляризации и горизонтальной линейной поляризации Г2 (В1 и Г2- левая).

- эллиптической с квадратурным сложением вертикальной линейной поляризации и горизонтальной линейной поляризации Г1 (В1 и Г1- правая);

- эллиптической с квадратурным сложением вертикальной линейной поляризации и горизонтальной линейной поляризации Г2 (В1 и Г2- правая).

УС ЗК ЗК

ЗК ЗК

ЗК

УС ЗК ЗК