Ненаправленные антенны горизонтальной поляризации метрового диапазона волн для мобильных средств радиосвязи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Перфилова, Алина Олеговна

• Перфилова, Алина Олеговна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Перфилова, Алина Олеговна

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ВИБРАТОРОВ, ПРОИЗВОЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫХ НАД РЕАЛЬНОЙ ЗЕМЛЕЙ

1.1 Постановка задачи

1.2 Разработка численного алгоритма расчета распределения тока вдоль вибраторов

1.3 Разработка численного алгоритма расчета поля в дальней зоне

1.4 Решение модельных задач и оценка границ применимости разработанного численного алгоритма. Сопоставление результатов

расчета с экспериментальными данными

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОВОЛОЧНЫХ АНТЕНН С ДВУМЯ ТОЧКАМИ

ВОЗБУЖДЕНИЯ

2.1 Технические требования к антеннам перспективных мобильных средств радиосвязи

2.2 Анализ конструкций антенн существующего парка мобильных радиостанций

2.3 Исследование и оптимизация электрических характеристик вибратора с двумя точками возбуждения (выбор элемента кольцевой

решетки)

Выводы по главе II

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ МАЧТОВЫХ АНТЕНН МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН ДЛЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ МОБИЛЬНЫХ СРЕДСТВ 70 РАДИОСВЯЗИ

3.1. Исследование технических путей создания мачтовых антенн

горизонтальной поляризации метрового диапазона волн

3.2 Мачтовая антенна метрового диапазона волн на основе симметричного вибратора с двумя точками возбуждения (4-х элементная

кольцевая синфазная антенная решетка)

3.3 Мачтовая антенна метрового диапазона волн на основе

логопериодической антенны

Выводы по главе III

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕНАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН

4.1 Результаты экспериментальных исследований ненаправленных

антенн горизонтальной поляризации метрового диапазона волн

4.2. Результаты экспериментальных исследований антенн на основе вибратора с двумя точками возбуждения

Выводы по главе IV

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БМ - боевая машина;

ДНА - диаграмма направленности антенны;

ДЦВ - дециметровые волны;

КБВ - коэффициент бегущей волны;

КПД - коэффициент полезного действия;

КУ - коэффициент усиления;

КШМ - командно-штабная машина;

ПУ - пункт управления;

РПД - радиопередатчик;

РПМ - радиоприемник;

РРС - радиорелейная станция;

РЭС - радиоэлектронное средство;

СВЧ - сверхвысокие частоты;

СУ - согласующее устройство;

УКВ - ультракороткие волны;

УМ - усилитель мощности;

УС - узел связи;

ЭМВ - электромагнитная волна;

ЭМП - электромагнитное поле;

ЭМС - электромагнитная совместимость.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ненаправленные антенны горизонтальной поляризации метрового диапазона волн для мобильных средств радиосвязи»

ВВЕДЕНИЕ

Широкое использование средств радиосвязи метрового диапазона волн обусловлено особенностями этого участка диапазона, позволяющими организовать связь на значительные расстояния, через труднодоступные районы и территории при минимальных затратах сил, средств и времени, обеспечив при этом высокую мобильность, возможность работы в движении или с коротких остановок.

В настоящее время особую значимость приобретает мобильность средств связи при одновременном повышении требований по устойчивости управления силами и средствами в условиях сложной электромагнитной обстановки.

Необходимость устойчивого функционирования радиосвязи в этих условиях предопределила усилия, направленные на изыскания новых способов повышения ее помехозащищенности, таких как применение частотной адаптации, частотно-разнесенных передачи и приема, программной перестройки рабочей частоты, компенсации помех. В настоящее время успешно ведутся разработки аппаратуры, реализующей эти способы [4-5]. Несмотря на несомненные успехи в аппаратурной области, антенные системы мобильных радиостанций, по существу, не изменились, в то время как они в значительной мере определяют тактико-технические характеристики радиостанции в целом и в частности такую важную характеристику, как ее мобильность.

За последние годы сделаны определенные шаги в направлении улучшения электрических характеристик антенн метрового диапазона волн, и в первую очередь их диапазонных свойств, однако и к настоящему времени эта проблема остается актуальной.

В настоящее время в мобильных радиостанциях метрового диапазона волн в качестве антенн используются в основном антенны резонансного типа вертикальной поляризации. Основным их недостатком является

узкополосность, что вызывает необходимость в одновременном развертывании нескольких типоразмеров антенны. Антенны же с развитой верхней нагрузкой обладают значительным временем развертывания, связанным со сложностью антенного полотна. Подробный анализ электрических характеристик антенн существующего парка мобильных радиостанций приведен в параграфе 2.2.

Таким образом, антенны, которыми укомплектованы мобильные радиостанции метрового диапазона волн, не в полной мере удовлетворяют современному уровню требований, предъявляемых к ним, и в первую очередь требованиям по широкополосности.

Целью диссертационной работы является совершенствование электрических характеристик мачтовых антенн метрового диапазона волн существующих и перспективных мобильных средств радиосвязи за счет улучшения их диапазонных свойств.

Известны различные способы улучшения диапазонных свойств антенных устройств. Это применение частотно-независимых антенн, использование принципа самодополнительности, уменьшение волнового сопротивления, включение в разрыв полотен антенн комплексных, активных или реактивных вставок, использование нескольких точек возбуждения. Использование первого принципа положено в основу создания логопериодических антенн (ЛПА), которые широко используются за рубежом в качестве антенн мобильных и стационарных объектов связи [15]. Однако в метровом диапазоне волн ЛПА обладают значительными габаритами, неудобны в развертывании и по этим причинам не могут быть использованы в мобильных радиостанциях.

Использование антенн с реактивными вставками возможно, но существенно ухудшает надежность конструкции.

Использование же нескольких точек возбуждения по способу воздействия на электрические характеристики антенны аналогично использованию реактивных вставок. Однако каждая точка возбуждения обладает дополнительной степенью воздействия на распределение тока,

связанной с возможностью изменения скачка напряжения независимо от величины тока в месте включения. В [17] показано, что за счет введения дополнительной точки возбуждения в подземную антенну удается расширить рабочий диапазон частот приблизительно в 1.5 раза. При этом питание к антенне подводится двумя раздельными коаксиальными кабелями. В работах [18,19] содержатся конструктивные идеи, которые могут быть положены в основу создания проволочных приземных антенн с искусственными точками возбуждения. В работе [18] точки возбуждения образованы за счет введения в конструкцию обычного симметричного вибратора полого цилиндра, а в работе [19] - системы пассивных проводников. При этом физически сохраняется одна точка питания.

Проведенное рассмотрение способов улучшения диапазонных свойств показывает, что совершенствование антенн метрового диапазона волн мобильных средств радиосвязи может быть проведено за счет использования нескольких точек возбуждения.

В средствах радиосвязи метрового диапазона волн традиционно используются антенны вертикальной поляризации. Исследования, проведенные в последнее время, показывают, что возможно увеличение энергетического потенциала радиолиний за счет использования антенн горизонтальной поляризации. Учитывая, что в населенных пунктах уровень вертикально поляризованной составляющей поля индустриальных помех больше, целесообразно использовать горизонтальную поляризацию [59,62]. Горизонтально поляризованные волны также испытывают меньшее поглощение в лесу.

Разработка эффективных антенн в указанных направлениях сдерживается отсутствием расчетного аппарата, позволяющего проводить исследования электрических характеристик приземных антенн сложной конфигурации и обеспечивающего требуемую точность.

Количество работ, посвященных электродинамическому исследованию приземных антенн, сравнительно невелико. В последнее время в связи с развитием вычислительной техники интерес к такого рода задачам возрос.

В работе [20] рассмотрен алгоритм расчета функции распределения тока вдоль двух вибраторов, располагаемых параллельно плоской границе раздела двух сред. Исходная краевая задача для системы уравнений Максвелла сводится к системе интегральных уравнений, решение которой осуществлено методом Галеркина с помощью импульсных базисных функций. Расчет внутренних интегралов типа Зоммерфельда в системе интегральных уравнений проводится методом седловой точки.

В работе [21] разработаны численные алгоритмы расчета функции распределения тока и поля в дальней зоне для вертикально и горизонтально расположенных вибраторов. Исходная краевая задача для системы уравнений Максвелла сведена к интегральному уравнению типа Галлена. Решение интегрального уравнения осуществлено методом Галеркина с помощью кусочно-постоянных базисных функций. Вычисление внутренних интегралов выполняется при нахождении функции распределения тока с использованием формул Гаусса, при вычислении поля в дальней зоне - методом седловой точки.

В работе [22] описан алгоритм вычисления функции распределения тока вдоль одиночного вибратора, произвольно расположенного над однородным полупространством. В работе не описан способ вычисления интегралов Зоммерфельда в ядре интегрального уравнения типа Поклингтона. Численные результаты приведены для горизонтально расположенного вибратора.

В работе [25] рассмотрена система близко расположенных к земле вибраторов, не имеющих точек соединения. Численный алгоритм решения системы интегральных уравнений не описывается. Вычисление внутренних интегралов в системе интегральных уравнений осуществляется методом седловой точки.

Таким образом, алгоритмы, описанные в прореферированных работах, относятся к частным случаям расположения вибраторов над поверхностью земли и не могут быть использованы для исследования электрических характеристик приземных антенн сложной конфигурации.

Особо следует выделить работы [13,26,27], в которых рассмотрена задача возбуждения системы вибраторов с точками соединения, произвольно расположенных над реальной землей. Для нахождения решения системы интегральных уравнений используется вариационный метод. В качестве базисных функций в алгоритме используются либо тригонометрические, либо кусочно-постоянные функции. Коэффициенты при разложении искомого тока определяются из условия стационарности функции Лагранжа. В работе [26] приведена серия асимптотических формул вычисления интегралов Зоммерфельда, полученных за счет деформации контура интегрирования, при различных условиях. Работы [26,27] не содержат описания численных алгоритмов решения задачи, в связи с чем использование результатов этих работ для проведения численного исследования электрических характеристик приземных антенн также не представляется возможным. В работе [13] методика разработана для декаметрового диапазона длин волн и не может в полном объеме быть использована для расчета характеристик антенн метрового диапазона.

Таким образом, для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующую научную задачу: исследование путей построения эффективных мачтовых антенн метрового диапазона волн горизонтальной поляризации на основе вибраторов с несколькими точками возбуждения.

Поставленная научная задача предполагает решение следующих вопросов.

- разработку алгоритмов расчета электрических характеристик системы вибраторов, произвольно расположенных над реальной землей;

- исследование и оптимизацию электрических характеристик мачтовых антенн метрового диапазона волн на основе вибраторов с несколькими точками питания;

- исследование технических путей создания мачтовых антенн метрового диапазона волн с улучшенными электрическими характеристиками для перспективных мобильных средств радиосвязи.

Объект исследования - мачтовые антенны горизонтальной поляризации метрового диапазона волн, созданные на основе вибраторов с двумя точками возбуждения.

Предмет исследования - параметры и конструктивные решения мачтовых антенн горизонтальной поляризации метрового диапазона волн, созданных на основе вибраторов с двумя точками возбуждения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цель и научная задача. Дается краткая аннотация диссертационной работы и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится разработка численных алгоритмов расчета электрических характеристик системы вибраторов, произвольно расположенных над реальной землей.

Исходная краевая задача для уравнений Максвелла сводится к системе интегральных уравнений типа Галлена. Решение системы интегральных уравнений осуществляется методом моментов с использованием метода саморегуляризации А.Н.Тихонова. Расчет внутренних интегралов, представляющих собой интегралы типа интегралов Зоммерфельда, проводится методом седловой точки. Дискретизация интегральных уравнений проводится с помощью аппроксимации токов кусочно-линейными базисными функциями,

заданными разбиением каждого вибратора с неравномерным шагом. Выбор неравномерной сетки связан с характером поведения искомого тока в районе точки подключения ЭДС и на концах вибраторов, что позволяет сократить порядок матрицы, не изменяя точности решения, по сравнению с использованием равномерной сетки. Полученная таким образом система линейных алгебраических уравнений решается многошаговым методом минимальных невязок, являющимся разновидностью итерационных процедур. Найденное распределение тока используется для расчета входного сопротивления антенны, диаграмм направленности и коэффициента усиления.

В соответствии с изложенным алгоритмом разработан пакет программ. Проведено сравнение полученных с помощью разработанных программ результатов расчета входного сопротивления, диаграмм направленности с известными расчетными и экспериментальными данными.

Во второй главе формулируются тактико-технические требования к антеннам метрового диапазона волн для перспективных мобильных средств радиосвязи. На основе этих требований проводится анализ антенн существующего парка мобильных радиостанций и выявляется неполное соответствие электрических характеристик этих антенн предъявляемым к ним требованиям. С помощью разработанных алгоритмов и программ проводится исследование и оптимизация электрических характеристик антенн на основе вибраторов с двумя точками возбуждения.

Задача оптимизации электрических характеристик антенны с двумя точками возбуждения состояла в определении такой ее геометрической структуры, при которой достигается максимальная полоса рабочих частот при обеспечении требуемых характеристик согласования. Точки возбуждения исследуемой антенны образуются за счет совместного использования активного и пассивного вибраторов, располагаемых параллельно друг другу на расстоянии много меньшем длины волны. С целью сокращения затрат машинного времени в начале было получено решение для случая свободного

пространства, затем проведено уточнение внутренних параметров оптимизационной задачи с учетом влияния реальной земли. Полученные оптимальные геометрические размеры позволяют расширить рабочий диапазон частот приблизительно в 1.5...2.0 раза по сравнению с антеннами, выполненными из одиночного провода и имеющими одну точку возбуждения. Коэффициент перекрытия по частоте достигает 6.0.

В третьей главе проводится исследование технических путей создания мачтовых антенн метрового диапазона волн на основе наклонных симметричных вибраторов с двумя точками возбуждения для существующих и перспективных мобильных средств радиосвязи. Рассчитаны типоразмеры антенны с двумя точками возбуждения. Проведено сравнение электрических характеристик рассчитанных типоразмеров и табельных антенн. Показано, что использование антенн с двумя точками возбуждения позволяет расширить рабочий диапазон антенны в 1.5...2 раза, что является существенным преимуществом этого типа антенн. Предложены технические решения по созданию широкодиапазонных антенн на основе симметричных вибраторов с двумя точками возбуждения (кольцевые одноярусные, кольцевые многоярусные на основе ЛПА).

В четвертой главе описаны экспериментальные установки и результаты исследований макетов и моделей разработанных в диссертации антенн, включающих в себя как лабораторные, так и трассовые испытания.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе, приведены сведения об их апробации, публикациях и внедрении, намечены пути дальнейших исследований.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Предложен новый тип антенны горизонтальной поляризации с реализацией возбуждения вибраторов в нескольких точках, обеспечивающих требуемые направленные свойства и широкополосность, а также конструкция, отвечающая требованиям быстрого развертывания.

2. Составлен алгоритм расчёта характеристик согласования и излучения антенн горизонтальной поляризации с произвольным (заданным) размещением тонких проволочных излучателей над полупроводящей поверхностью Земли.

3. Выявлена возможность оптимизации электрических характеристик предлагаемых к использованию антенн с точки зрения обеспечения максимальной широкополосности при заданных характеристиках согласования.

Основные новые результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в проведении исследований мачтовых антенн метрового диапазона длин волн мобильных средств радиосвязи на основе вибраторов с двумя точками возбуждения, включающих в себя разработку численных алгоритмов расчета электрических характеристик системы вибраторов, имеющих точки соединения и произвольно расположенных над реальной землей, оптимизацию электрических характеристик предлагаемых к использованию антенн, а также в исследовании технических путей создания мачтовых антенн метрового диапазона волн для существующих и перспективных мобильных средств радиосвязи.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общей теории антенн и численных электродинамических методов расчёта, а также апробированного адекватного математического аппарата. Полученные результаты многократно подтверждены вычислительными и натурными экспериментами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Возможность построения ненаправленных антенн горизонтальной поляризации, размещаемых над землей, для метровых линий мобильной радиосвязи, что позволило обеспечить большую помехоустойчивость и широкополосность в сравнении с использованием антенн вертикальной поляризации.

2. Новый тип антенн горизонтальной поляризации с реализацией возбуждения вибраторов в нескольких точках, что позволило обеспечить

требуемые направленные свойства и широкополосность, а также конструкция, отвечающая требованиям быстрого развертывания.

3. Схема построения широкодиапазонной мачтовой антенны метрового диапазона волн горизонтальной поляризации для мобильных средств радиосвязи, которая позволила расширить рабочий диапазон антенны 30.120 МГц.

4. Расширение диапазона рабочих частот в 1,5.2 раза в зависимости от параметров земли путём введения дополнительного пассивного вибратора в конструкцию излучающего элемента антенной решетки.

Практическая значимость состоит в следующем:

1. Исследованы технические пути создания мачтовых антенн метрового диапазона волн для существующих и перспективных мобильных средств радиосвязи.

2. Разработана конструкция мачтовых антенн метрового диапазона волн для существующих и перспективных мобильных средств радиосвязи.

3. Составлены алгоритм и программа расчёта электрических характеристик антенн, представляющих систему вибраторов, произвольно расположенных над реальной землей.

ГЛАВА 1 .ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ВИБРАТОРОВ, ПРОИЗВОЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫХ НАД РЕАЛЬНОЙ ЗЕМЛЕЙ

В главе разрабатывается алгоритм расчета электрических характеристик системы вибраторов, произвольно расположенных над реальной землей. Алгоритм является обобщением результатов, полученных в работе [28] и относящихся к системе вибраторов, произвольно расположенных в свободном пространстве, на случай наличия плоской границы раздела двух однородных сред. Влияние границы раздела учитывается аналогично работе [24]. Вычисление элементов матрицы функции Грина проводится методом седловой точки аналогично подходу, изложенному в работе [21]. Численная реализация алгоритма проведена с учетом двух первых членов разложения подынтегральной функции в ряд Лорана.

Глава написана по материалам, содержащимся в [23,31].

1.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим изотропную среду, состоящую из 2 полупространств, разделенных плоской границей раздела, в каждом из которых электромагнитные параметры £/, о/, /=1,2 постоянны, где £г -диэлектрическая проницаемость, ^ - магнитная проницаемость, о/ - проводимость среды. В верхнем полупространстве, характеризуемым волновым числом к, располагается система, состоящая из п произвольно расположенных линейных

вибраторов. Вибраторы могут быть либо изолированными, либо соединенными между собой. Каждый m-ый вибратор представляет собой идеально проводящий тонкостенный цилиндр с радиусом а длиной Ьт (ат «Ьт, ат <<Я] , где Я] - длина волны в верхнем полупространстве). Предположение малости радиусов вибраторов по отношению к длине волны в окружающем полупространстве дает возможность рассматривать данную задачу в тонкопроволочном приближении [16,32,33], т.е. пренебрегать влиянием радиальных токов. Положение вибраторов задается координатами их начал От (Хот, Уот , 2оп) и направляющими косинусами вш (Ь3Ш,Ь™2,Ъ™ъ) (рис.1.1). В качестве источника возбуждения рассматривается ЭДС, подключенная в точках излома или ветвления системы вибраторов.

х

Рис.1.1 Система вибраторов, произвольно расположенных над реальной землей (постановка задачи)

Задача состоит в нахождении распределения тока вдоль системы вибраторов с учетом их взаимного влияния и влияния земли, а также расчете поля в дальней зоне и других электромагнитных характеристик системы.

Соответствующая краевая задача может быть сформулирована следующим образом: требуется найти в верхнем полупространстве решение системы уравнений Максвелла (временная зависимость exp(iot)):

rot H = ia>si E +

- - (U)

rot E = - irns1 H где jxi - вектор плотности тока,

s11 -диэлектрическая и магнитная проницаемости верхнего полупространства;

удовлетворяющее граничным условиям на поверхности вибраторов Sm :

= 0, (1.2)

-*•tot

П m X E

пт - внешняя нормаль к поверхности т-го вибратора, и на поверхности раздела двух сред ^=0) [34]:

ЕП = Erl , (1.3)

Для выделения единственного решения используется условие излучения на бесконечности Зоммерфельда [21,35,36]:

lim RRE = 0, (1.4)

где R - расстояние между точками наблюдения p и интегрирования q (рис.1.1).

1.2. РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОГО АЛГОРИТМА РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА

Поля Е и Н могут быть выражены через векторный потенциал А следующим образом [28]:

Е = -*— \graddivA + к(21} 2\ (1-5)

08!

Н = тогА,

> п _^

где А = 2 Ат , (1.6)

т=1

Вектор Ат соответствует току, текущему по т-ому вибратору.

В системе координат Х,У,7 (рис.1.1), называемой в дальнейшем основной системой координат (ОСК), векторный потенциал Ат выражается формулой:

Ат = АтХ0+АтУ0+Ат7 (1.7)

где Ат, Ат, Ат - проекции вектора А на оси Х,У,7 соответственно,

X0, У0, 7 -орты ОСК.

Следуя [28], свяжем с каждым т-ым вибратором локальную систему координат (ЛСК) с началом в точке От (Х0т, У0т, 20т) и осью 2т, направленной вдоль оси вибратора.

Тогда выражение для векторного потенциала в ЛСК, связанной с /-ым вибратором, имеет вид:

= ъ\ 2 Ат + ^ 2 а; + Ьз 2 Ат (1.8)

т=1 т=1 т=1

п п п

АУ1 = К12 А; + К2 2 А; + Кз 2 А;

т=1 т=1 т=1

п п п

А, = КЗ1 х А; + ъ\2 х А; + ъ\ъ 2 А;

где Ът - элементы матрицы перехода из ОСК в ЛСК.

Согласно (1.5) в ЛСК для 2/ -ой компоненты электрического поля имеем:

к2 А +-JL +

А д(дАХ1+ длУ1 ^

у

(1.9)

д: д:1 у дх1 дУ1 Из граничного условия на поверхности /-го вибратора (1.2) следует:

Е, + ЕХ = 0 (1.10)

где Ее* - проекция стороннего электрического поля на ось 1-го вибратора.

Подставив (1.9) в (1.10), решая полученное таким образом дифференциальное уравнение относительно А , имеем:

А, = С„ Лкг, + С„ со.к:, + ^Г(:,)-]±^+ ац)

' к о д: *

Кдх1 ду, у к!

где ^ (:г) = | Е^ (6 )яп к(:г(1.12)

о

Сц и С21 - постоянные, определяемые из дополнительных условий для величин токов на концах /-го вибратора.

В случае изолированного вибратора ток на его концах равен 0:

1т (0) = 0 или 1т(Ьт) = 0. В точках соединения (узлах) вибраторов выполняется закон Кирхгофа:

5

Е Ь (? с ) = 0;

к=1

где S - количество вибраторов, подходящих к узлу.

Скалярный потенциал в точках соединения непрерывен или имеет скачок, если в узле располагается точка питания [28]. В последнем случае:

Фк(Ьк) = Фк+1(0)+ио,

где и0 - напряжение питания.

Интегрируя по частям выражение в правой части (1.11), содержащее частные производные, и учитывая (1.12), имеем:

"дЛ дЛ

AZi = Cy sin kz, + C2l coskz, + ^ j(£)sin к(z,- j

k

1 о

_fl_ __y¡_

дх! By!

cos(z, )d£ (1.13)

С учетом (1.13) и (1.8) представим выражение (1.11) в ЛСК:

n n n ~ ~ - /-,лр 21

bL 2 Am+bl2 у a;+Ьз ea; = C, sin kz,+C2l cos kz,+—1 Je- (4, )sin k (z,-4 щ, -

k 0

nn

dilA"] dl ^a;

j cos(z,)

d E Am I ч dl E A 11 -b )2)-

dx

dlE A

+ ■

. m=1

dy

(l-fe )2 )-

d E A

dy

-b'X -

■m=1 J b'b' ■ V m=1 J b'b' V m=1 J

1 2 dx 1 dx dy

dfeb a; 1 dfeb a; 1 dfjEA

V m=1 J b b V m=1 J b b i V m=1

b'b +

dz

dz

dz

(l -fe )2

(1.14)

Воспользуемся интегральным представлением составляющей векторного потенциала Лт через токи, текущие по поверхности т-ого вибратора:

Am j Jm(q)G(P,Q)dSK

4ft $

(1.15)

При этом влияние плоской границы раздела учтем, следуя работам [24,35], за счет тензорной формы функции Грина:

(P, Q) =

G (P, Q) 0

о Gii (p Q) d g (p, Q) d g (P, Q)

0 0

d x

d y

Gi (P, Q)

(1.16)

0

0

где Р(ху^) и Q(х ,у ^) - точки наблюдения и интегрирования соответственно;

-1кЯ г -1 |г + г0\

(Р, б) = V + | ^ М1-1 £-

я о 1 + 1 ч

-ПсЯ г -1 г + г0

^ (Р, б) = V + ] Jo £-лл,

Я 0 1" + 12*1 1

(р,б) = -2 Х-Хо | ^ (Лр) " Д2Д

дх Р 0 1" +Ъ£1 11 + 1

1г+г

д*(Р,б) = -2 У-Уо Г Jl (др) "2 £.....д2^Л.

дУ Р 0 1" + 12" 11 + 12

где ^ (Лр) - функция Бесселя I рода нулевого порядка; ^ (Лр) - функция Бесселя I рода первого порядка; Л - переменная интегрирования;

Р = Р(Р,б) = л1 (X - Хо)2 + (У - Уо)2

Я = Я(Р,б) = ,\р2 + (г - го)2

"2, ^2, о"2 - электромагнитные параметры нижнего

полупространства (земли); к = ^ " • к = ^ " •

к(1) = д к(2) = д V "2;

11 - к(21); 12 - к(2); Введем связанную с каждым т-ым вибратором локальную цилиндрическую систему координат (рис.1.2).

Рис.1.2 Переход из локальной декартовой системы координат, связанной с т-ым вибратором, в локально цилиндрическую

Координатные составляющие векторного потенциала примут следующий

вид:

1 2п

\Ш _ ь31 - ' ^ 1

лш = 11ш (6 )1Т 1 «11 d9md6m

4я 0 2я 0

(1.17)

Ьш ^ш 1 2п

А = ~Т К (6ш 1 «11 d9md6

о о

(1.18)

АШ = ^Ш (6 д* + +

1 2?„ _ % + Ьш д*

гч 1 L 31 ^ 32 ^ч

2п 0 дх ду

(1.19)

Для записи выражений (1. 17)-(1.19) в компактной форме введем обозначение:

1 1 2ж

фш («) = ^г К (6ш dL (1.20)

4я 0 2п 0

Тогда выражения (1.17)-(1.19) с учетом (1.16) примут вид:

аш=ь:фш (к 1+к 2)

(1.21)

лт = ът2Фт (к+к2) (1.22) 2

л; =-Фт (~(Ъ*(х - Х0) + ъ;2(у - у0))Кз - Ъ33(кг + к4) (1.23) р

ш /?-Л12+2о

где К,(Л б) = 13 о(Лр)-ЛЛ = — (1.24)

о Л, Я

ш Л _ л рЛ 2+2о

К2(Р, б) = | Л(Лр) ^^-Л/Л (1.25)

о Лх + Л 2 Л

ш р -р рЛ 2+20

К (Р, б) = Г 3 (Лр)-2-1--Л2 с1Л (1.26)

о Л1р 2 +Л2р1 Лх +Л2 ш Л Р _ Л Р 2+ 2о

к4 (Р, б) = 13о (Лр) Л1 2 Л2 1 р-Л/Л (1.27)

о Л1р2 + Л2р1 Л

Продифференцировав каждую из координатных составляющих векторного потенциала по соответствующей координате, получим вспомогательные выражения для производных от векторного потенциала, необходимые для подстановки в (1.14):

дЛ; 2

дЛ^ = Ф;(-(Ъ31 (Х - Хо) + ъ;2(у - Уо))К7 - Ъ33(А(2 - 2о)К + К9)) (1.28)

д2 р т >

дЛ

д2

т

Х =-ъ;фт (А(2 - 2о)К1 + К 5) (1.29)

" т

дЛт Х-Х

= -ЪЗфт(А(Х - Хо)К +-Ко) (1.30)

дх р

т >

ÔAm

x — x

= —Ь:2Фп ( А( x — Xo) Kl +-o Klo) (1З1)

ÔX P

m >

ÔAm

ÔA^ = —Ь1Фп ( А( z — zo) Kl + K 5) (1З2)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перфилова, Алина Олеговна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Муравьев Ю.К. Антенные устройства для радиосвязи.- Ленинград: Военная академия связи, 1973.-324с.

2. Мейнке Х., Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник. Том 1. Радиодетали. Цепи с сосредоточенными параметрами. Линии передачи. Волноводы. Резонаторы. Антенны. Распространение радиоволн/ Пер. с нем. под ред. Б.А. Доброхотова.- М.: Госэнергоиздат, 1961г.- 416с.

3. Трусканов Д.М. Развитие отечественной техники телевизионных передающих антенн/ Антенны.- 1967.- №2.- с.4-32.

4. Автомобильная КВ и УКВ приемо-передающая двухканальная радиостанция мощностью 1 кВт (шифр "Артек- 1А"): Отчет об ОКР (эскизно-технический проект)/п/я 4554.- Книга 3.- Тамбов,1991.

5. Автомобильная КВ и УКВ приемо-передающая двухканальная радиостанция мощностью 1 кВт (шифр "Артек- 1А"): Отчет об ОКР (эскизно-технический проект)/ п/я 4554.-Книга 4. Пояснительная записка устройства антенно-фидерных трактов.- Тамбов,1991.

6. Гончаренко И. В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA M.: ИП Радиософт, журнал «Радио». - 2002г.

7. E.A. Alkhovski, I.V. Berezhnaya, A.S. Ilinski, A.G. Kondratjev and O.Ju. Perfilov Investigation of HF and VHF ground antennas for communication systems// "Electromagnetics".-1999.- v.19.- №2 (March-April).- p.171-185.

8. Альховский Э.А., Гришин К.В., Кондратьев А.Г., Перфилов О.Ю., Тепляшин В.И. Двухполяризационная антенна// Патент № 2066906 от 20.09.96 г. (H 01 Q 21/24).

9. Вендик О.Г. Антенны с немеханических движением луча (Введение в теорию).- М.: Советское радио, 1965 г.- 360 с.

10. Paterson D. HF Antennas for the eighties.- Conference on Communication Equitment and System.- 1980.- p. 223-227.

11. Антропов Д.А., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. Кольцевая антенна// Патент № 2346364 от 27.07.07 г. (H 01 Q 11/10).

12. Бузов А.Л., Юдин В.В. Проектирование кольцевых антенных решеток, реализующих схемно-пространственное сложение сигналов в системах подвижной радиосвязи. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь.- 2005г.- 224 с.

13. Перфилов О.Ю. Исследование и разработка мачтовых антенн ближних связей декаметрового диапазона волн для военных мобильных средств радиосвязи: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- М., 1993.- 209 с.

14. Перфилов О.Ю. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств узлов связи пунктов управления объединенными группировками войск: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.- М., 2002.- 238 с.

15. Instruction manual for model 5002 communications system incorporating models 1001CA,3002BA and 3701BA/Hy-Gain Electronics Corporation.- Contract GS-00S-09756,DAAB05-72-F-5513.- Lincoln,Nebraska.

16. Jane's military communications; Edited by J.Williamson.- Tenth edition.-London,1991.-862 p.

17. Изыскание путей создания эффективных передающих КВ и УКВ защищенных антенн (шифр "Замечание"): Отчет о НИР/ войсковая часть 25871. -М.,1987.

18. Надененко С.И. Антенны.- М.: гос.изд. по вопросам связи и радио,1959.- 552 с.

19. Айзенберг Г.З. Антенна с расширенным диапазоном волн//Радиотехника.- 1946.-т.1.-Ш.- с.56-67.

20. K.A.Michalski, C.M.Butler Evalution of integrals arising in the ground stake antenna problem// IEE Proc.-1987.-v.H-134.- N1.- p.93-97.

21. Альховский Э.А., Бережная И.В., Гришин К.В., Ильинский А.С., Кондратьев А.Г. Учет влияния проводящей земли на распределение тока и диаграммы направленности линейного излучателя// Методы математического моделирования и вычислительной диагностики.- М.: МГУ, 1990.- с.199-2О7.

22. Ефанов И.М., Жук Н.П., Облыван С.А. Приближенное решение задачи о возбуждении произвольно расположенного вибратора над однородным полупространством// Отбор и обработка информации (межведомственный сборник Украинской АН).-1991.-вып.7(83).- с.43-48.

23. Перфилов О.Ю., Перфилова А.О. Разработка ненаправленных мачтовых антенн горизонтальной поляризации метрового диапазона длин волн// Антенны, 2011г.- вып.1(164).- с.44-50.

24. Захаров Е.В., Пименов Ю.В. Численный анализ дифракции радиоволн.- М.: Радио и связь, 1982.- 184с.

25. T.K.Sarkar Analysis of Arbitrarily Oriented Thin Wire Antennas over a Plane Imperfect Ground//Archiv der electrischen Ubertragund.- 1977.-Band 31.-N11.- s.449-457.

26. Крылов Г.Н. Цилиндрические, кольцевые и вертикальные антенны. -Л.:Энергия,1965.- 204 с.

27. Крылов Г.Н. Краевые задачи теории оптимальных антенных систем. -Л.:ЛГУ,1990.- 96 с.

28. Ильинский А.С., Бережная И.В. Математические модели тонких вибраторных антенн // Математические модели и вычислительные методы. -М.- МГУ, 1987.- с.103-125.

29. Бережная И.В., Гришин К.В., Ильинский А.С., Кондратьев А.Г., Перфилов О.Ю. Метод математического моделирования многовибраторных антенн, расположенных над реальной землей// Математические модели естествознания.- изд. МГУ им. М.В. Ломоносова, 1993.- с.35-41.

30. Ильинский А.С., Перфилов О.Ю., Самохин А.Б. Итерационный метод решения интегральных уравнений теории проволочных антенн// Математическое моделирование.-1994.- т.6.- №3.- с.52-59.

31. Перфилов О.Ю., Перфилова А.О., Трошин Г.И. Взаимное влияние близко расположенных проволочных антенн на их диаграммы направленности// Антенны, 2012г.- вып.3(178).- с.67-71.

32. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Радио и связь, 1985.- 536с.

33. Тихонов А.Н., Дмитриев В.И. Метод расчета распределения тока в системе линейных вибраторов и диаграммы направленности этой системы// Вычислительные методы и программирование. - М.: МГУ, 1968.- с.3-8.

34. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны.- М.: Радио и связь, 1988.440 с.

35. Дмитриев В.И. Электромагнитные поля в неоднородных средах.- М.: МГУ, 1969.- 131с.

36. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.,1953.- 680с.

37. Л.Фелсен, Н.Маркувиц Излучение и рассеяние волн: в 2 т.: Пер. с англ.-М.: Мир,1978.- т.2.- 555 с.

38. Ватсон Г.И. Теория бесселевых функций.- М.: Ин.литература, 1949.798 с.

39. Л.Фелсен, Н.Маркувиц Излучение и рассеяние волн: в 2 т.: Пер. с англ.-М.: Мир,1978.- т.1.- 555 с.

40. Самохин А.Б. Метод простой итерации для решения линейных операторных уравнений// Журнал вычислительной математики и математической физики.- 1988.- т.28.- №10.- с.с. 1577-1583.

41. Самохин А.Б Многошаговый метод минимальных невязок для решения линейных операторных уравнений// Журнал вычислительной математики и математической физики.- 1991.- т.31.- №2.- с.317-320.

42. Красносельский М.А. и др. Приближенное решение операторных уравнений. М.: Наука,1969.- 455 с.

43. Красносельский М.А., Крейн С.Г. Итерационный процесс с минимальными невязками// Математический сборник.-1952.-Т.31(73).- №2.-с.315- 329.

44. Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны.- М.: Сов. радио,1965.- 472 с.

45. Антенны/ Гавеля Н.П., Истрашкин А.Д., Муравьев Ю.К., Серков В.П.-Под ред. Ю.К.Муравьева.- Ленинград: ВАС,1963.- часть 1.- 629 с.

46. Альховский Э.А., Бережная И.В., Гришин К.В., Ильинский А.С., Кондратьев А.Г., Перфилов О.Ю., Тепляшин В.И. Исследование широкополосной мачтовой антенны ближних связей декаметрового диапазона волн для мобильных средств радиосвязи//Электросвязь.- 1994.- №3.- с.25-26.

47. Перфилов О.Ю. Исследование антенны для ближних связей с расширенным рабочим диапазоном частот//Научно-технический сборник N3; Под ред. Дедюкина Г.В.- М.: Министерство обороны,1992.- с.50-55.

48. Перфилова А.О. Принципы работы систем сотовой связи// Материалы 59-й научно-технической конференции МТУСИ.- Москва, 19-23 апреля 2004.-с.39.

49. Серков В.П. Распространение радиоволн и антенные устройства.-Л.: ВАС,1981.

50. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах.- М.: Наука, 1973.- 343с.

51. Муравьев Ю.К. Справочник по расчету проволочных антенн. Ленинград: изд.ВАС, 1978.-392 стр.

52. С.Щелкунов, Г.Фриис Антенны (теория и практика) : Пер. с англ.-М.: Советское радио,1955.- 604 с.

53. Перфилова А.О. Перспективы развития систем сотовой связи// Материалы 60-й научно-технической конференции МТУСИ.- Москва, 11-15 апреля 2005.- с.33.

54. H.A.Racheb, M.Hamid Rigorous solution of multiply fed dipole antenna//Can.J.Phys.-1986.-v.64.-N3.- pp.309-310.

55. S.A.S.Saoudy, M.Hamid Optimal design of multiply fed dipole antennas// IEEE trans.-1987.-v.AP-35.-N9.- pp.1001-1009.

56. Овсянников В.В. К расчету штыревых и петлевых вибраторных антенн с последовательно включенными сосредоточенными нагрузками// Антенны.- вып.31.- М.: Радио и связь,1984.- с.84-104.

57. Пистолькорс А.А. Антенны.- М.: Связьиздат,1947.- 479с.

58. Овсянников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. -М.: Радио и связь,1985.- 120с.

59. Перфилова А.О. и др. ЭМС РЭС на объектах и узлах связи// Материалы 10-й конференции Национальной радиоассоциации «Актуальные вопросы повышения эффективности использования национального радиочастотного ресурса».- Нижний Новгород-Казань, 2-5 июня 2010.- с.163-166.

60. Фрадин А.З., Рыжов Е.В., Измерение параметров антенн.-М.: гос. изд.по вопросам св. и радио,1962.- 316 с.

61. Селективный микровольтметр и измеритель напряжения помех типа SMV-8. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

62. Перфилова А.О. и др. Индустриальные радиопомехи в подвижных объектах связи// Материалы 10-й конференции Национальной радиоассоциации «Актуальные вопросы повышения эффективности использования национального радиочастотного ресурса».- Нижний Новгород-Казань, 2-5 июня 2010.- с.191-196.

63. Р.Кинг, Г.Смит Антенны в материальных средах: в 2 кн.: Пер.с англ.-М.:Мир,1984.- т.1.- 416 с.

64. Popovic B.D. Polinomial approximation of current along thin simmetrical cylindrical dipoles// Proc.IEE.-1970.- v.117.- №5.

65. Рашковский С.Л. Исследование антенн, размещенных вблизи границы раздела двух сред, методом интегрального уравнения// Изв.ВУЗов. Радиофизика.- 1980.- т.32.-№7.- с.841-850.

66. Кондратьев А.Г. Исследование и разработка антенн метровых волн для военных подвижных средств радиосвязи: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- М., 1991.

67. R.Tiberio et al. A hybrid technique for analizing wire antennas in the presence of a plane interface// IEEE trans.-1985. - v.AP -33.- №8.- pp.881-885.

68. J.H.Richmond, E.H.Newman Mutual impendance between vertical dipoles over a flat earth// Radio Sci.- 1979.-v.14.- №6.- pp.957-959.

69. Гвоздев И.Н., Муравьев Ю.К., Серков В.П., Чернолес В.П. Характеристики антенн радиосистем связи.- Л.: ВАС,1978.- 231 с.

70. Перфилов О.Ю., Перфилова А.О., Антропов Д.А., Фидельман В.Е. Ненаправленная антенна горизонтальной поляризации// Заявка № 2013132808 от 16.07.2013 г. (H 04 K 3/00, G 01 S7/38).