Широкополосная антенная система для малогабаритных средств радиомониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Куприц, Владимир Юрьевич

• Куприц, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Куприц, Владимир Юрьевич

Введение.

1 Анализ существующих подходов к построению широкополосной антенной системы для малогабаритных средств радиомониторинга.

1.1 Обзор существующих малогабаритных систем радиомониторинга.

Анализ технических требований к антенным системам.

1.2 Современные подходы к построению широкополосных антенных систем.

1.3 Возможности построения антенной системы. Постановка задач исследования.

1.4 Выводы.

2 Анализ характеристик широкополосной антенной системы для малогабаритных средств радиомониторинга.

2.1 Анализ характеристик антенных решеток с элементами Вивальди.

2.2 Моделирование работы антенной решетки с элементами Вивальди в широкой полосе частот АР с целью достижения максимума КНД.

2.3 Выводы.

3 Моделирование влияния условий распространения радиоволн на наземных трассах на характеристики широкополосных антенных систем и созданных на их основе пеленгаторов.

3.1 Модель наземной трассы распространения радиоволн.

3.2 Исследование характеристик различных антенных систем и пеленгаторов с помощью модели наземной трассы распространения радиоволн.

3.2.1 Исследование влияния условий распространения радиоволн на характеристики амплитудных пеленгаторов с различными широкополосными антенными системами.

3.2.2 Исследование характеристик фазовых пеленгаторов с различными широкополосными антенными системами.

3.2.3 Результаты моделирования работы пеленгаторов с различными антенными системами.

3.4 Выводы.

4 Экспериментальные исследования характеристик широкополосных антенн и пеленгаторов на их основе.

4.1 Задачи проведения экспериментальных исследований.

4.2 Аппаратура, используемая при проведении экспериментальных исследований.

4.3 Методика проведения экспериментальных исследований.

4.4 Результаты экспериментальных исследований характеристик антенн Вивальди и макета антенной решетки с элементами Вивальди.

4.5 Результаты экспериментальных исследований характеристик малогабаритных антенных систем и пеленгаторов на трассах протяженностью до 1 км.

4.6 Результаты экспериментальных исследований характеристик малогабаритных антенных системтгпеленгаторов на трассахпротяженностью до 30 км.!.

4.7 Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных характеристик пеленгаторов.

4.8 Предложения по проектированию антенных систем для малогабаритных широкополосных пассивных наземных систем радиомониторинга.

4.9 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Широкополосная антенная система для малогабаритных средств радиомониторинга»

Актуальность темы исследований. В развитии современных малогабаритных систем радиомониторинга проявляется устойчивая тенденция к расширению частотного диапазона при уменьшении их размеров и веса.

В настоящее время расширение рабочего диапазона частот малогабаритных систем радиомониторинга достигается путем смены блоков антенной системы. С этим связаны значительные трудности их использования. При этом для обнаружения источников радиоизлучения (ИРИ) с низким энергетическим потенциалом или в целях увеличения дальности обнаружения необходимо, чтобы антенная система имела высокий коэффициент усиления. Поэтому изыскиваются возможности создания широкополосной антенной системы с высоким коэффициентом усиления и малыми габаритными размерами и весом. В частности, такие возможности открываются с появлением антенн в виде печатных плат с использованием современных материалов. Использование таких антенн для создания антенных решеток (АР) позволяет рассматривать их как наиболее подходящие для построения современных антенных систем средств радиомониторинга. Применение антенных решеток дает дополнительные возможности, такие как формирование адаптивной диаграммы направленности (ДН), электронное сканирование луча.

Несмотря на значительное количество публикаций по данной тематике, многие вопросы использования таких антенн остаются неисследованными, например, потенциальные возможности расширения полосы рабочих частот антенной системы при заданной ее конструкции и сохранении основных характеристик направленности. В частности, появление дифракционных максимумов высших порядков и изменение формы ДН антенных решеток в широком диапазоне частот может привести к неоднозначности определения местоположения ИРИ. Таким образом, многие практические вопросы создания широкополосных антенных систем требуют проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Дополнительные трудности при обосновании выбора конструкции антенной системы малогабаритных средств радиомониторинга возникают из-за необходимости учета влияния случайных искажений электромагнитного поля в месте приема, связанных с условиями распространения радиоволн. Отражение радиоволн от земной поверхности и местных предметов приводит к тому, что к приемной антенной системе приходит множество сигналов в виде суммы регулярной и случайной составляющих, что приводит к необходимости использования статистических методов исследования характеристик антенной системы и пеленгатора на ее основе.

Таким образом, актуальными вопросами в плане выполнения темы диссертации являются:

- определение потенциальных возможностей расширения полосы рабочих частот антенной системы средств радиомониторинга;

- проведение анализа статистических характеристик антенной системы и пеленгаторов, выполненных на ее основе, при работе на реальных трассах распространения радиоволн для обоснованности выбора антенной системы;

- разработка практических рекомендаций по построению широкополосных антенных систем радиомониторинга.

Цель диссертационной работы - создание и разработка широкополосной антенной системы малогабаритных средств радиомониторинга.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1) провести теоретическое и экспериментальное исследование характеристик антенных систем малогабаритных средств радиомониторинга, в частности:

- оценить максимальную ширину полосы частот антенных систем малогабаритных пеленгаторов при заданных ограничениях на габаритные размеры и вес;

- исследовать возможность сохранения коэффициента направленного действия (КНД) антенной системы в широкой полосе рабочих частот;

- исследовать возможности расширения рабочего диапазона частот антенных решеток при отсутствии дифракционных максимумов высших порядков;

2) провести исследование влияния условий распространения радиоволн на наземных трассах на характеристики пеленгаторов с различными антенными системами, в частности:

- выбрать из существующих или создать адекватную ситуации модель подстилающей поверхности наземной трассы;

- использовать модель для определения ожидаемых ошибок пеленгования с различными типами антенных систем;

3) провести экспериментальные исследования характеристик антенн и пеленгаторов на их основе, в частности:

- исследовать характеристики широкополосных антенных систем и пеленгаторов на трассах различной протяженности.

Методы исследований. При решении задач, поставленных в диссертации, использовались теоретические и экспериментальные методы анализа и численное моделирование характеристик антенн, пеленгаторов. Состоятельность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- получено, что расположение антенн Вивальди в качестве элементов антенной решетки в узлах треугольной сетки позволяет расширить рабочий диапазон частот решетки в сторону низкочастотной области за счет увеличения ширины применяемых антенн Вивальди и таким образом, увеличить ее максимальный коэффициент перекрытия по частоте в два раза по сравнению с расположением элементов антенной решетки в узлах прямоугольной сетки, при отсутствии побочных дифракционных максимумов высших порядков;

- обоснован размер шага расположения элементов Вивальди в антенной решетке по треугольной сетке, позволяющий получить максимум коэффициента направленного действия при сохранении максимальной широкополосности;

- показано, что применение антенных решеток с элементами Вивальди в качестве приемной широкополосной антенной системы малогабаритных амплитудных пеленгаторов, работающих по сканирующим источникам радиоизлучения, позволяет снизить ошибку пеленгования за счет влияния условий распространения радиоволн над земной поверхностью на 20 - 30 % по сравнению с амплитудными пеленгаторами, использующими в качестве приемных одиночные рупорные антенны с теми же размерами апертуры;

- экспериментально установлено, что использование антенных решеток с антеннами Вивальди, расположенными по треугольной сетке, в фазовых пеленгаторах позволяет получить линейную разностно-фазовую характеристику в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки;

- разработаны практические рекомендации по построению широкополосной антенной системы малогабаритных средств радиомониторинга.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что предложенная в ней широкополосная антенная система малогабаритного пеленгатора обладает рядом преимуществ по сравнению с существующими и может служить основой построения современных систем радиомониторинга.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Расположение антенн Вивальди в качестве элементов антенной решетки в узлах треугольной сетки позволяет расширить рабочий диапазон частот решетки в сторону низкочастотной области за счет увеличения ширины применяемых антенн Вивальди и таким образом, увеличить ее максимальный коэффициент перекрытия по частоте в два раза по сравнению с расположением элементов антенной решетки в узлах прямоугольной сетки при отсутствии побочных дифракционных максимумов высших порядков.

2. Максимум коэффициента направленного действия антенных решеток с антеннами Вивальди при отсутствии побочных дифракционных максимумов высшего порядка достигается при их расположении по треугольной сетке с шагом 1,2 длины волны на верхней частоте рабочего диапазона.

3. Применение антенных решеток с элементами Вивальди в качестве приемной широкополосной антенной системы малогабаритных амплитудных пеленгаторов, работающих по сканирующим источникам радиоизлучения, позволяет снизить ошибку пеленгования за счет влияния условий распространения радиоволн над земной поверхностью на 20 - 30 % по сравнению с амплитудными пеленгаторами, использующими в качестве приемных одиночные рупорные антенны с теми же размерами апертуры.

4. Использование антенных решеток с антеннами Вивальди, расположенными по треугольной сетке, в фазовых пеленгаторах позволяет получить линейную разностно-фазовую характеристику в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенной решетки.

Достоверность научных и практических результатов. Результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, подтверждаются результатами моделирования и проведенными экспериментальными измерениями, а также сопоставлением с результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на:

• научно-технических конференциях ОАО ЦКБА «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем» (Омск, 2008, 2010 г.);

• XV и XVI международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж 2009, 2010 г.);

• конференции Сибирского Федерального Университета «Современные проблемы развития науки, техники и образования» (Красноярск, 2009 г.).

Внедрение результатов работы. В рамках выполнения диссертационной работы разработана широкополосная антенная система, которая была использована в рамках составной части опытно-конструкторской разработки «Разработка антенной системы для носимого малогабаритного прибора нового поколения» (шифр - «Радиотехника-Вектор-ТУСУР-2»)

Материалы диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы «Исследования по созданию перспективных пассивных космических систем мониторинга наземных источников радиоизлучения» (ФЦП «Кадры» государственный контракт № 02.740.11.0183 от 25 июня 2009 г.), а также в учебном процессе подготовки инженеров по специальности 210304.65 - «Радиоэлектронные системы».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них - 4 статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых изданиях, определенных ВАК, 7 работ - в сборниках трудов и материалов научно-технических конференций. Получены два авторских свидетельства на изобретения по антенной тематике.

Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся с участием сотрудников научно-исследовательского института радиотехнических систем (НИИ РТС) и кафедры РТС ТУСУР при консультациях сотрудников кафедры СВЧ и КР ТУСУР. Основные исследования, результаты которых приведены в диссертации, были выполнены по инициативе и лично автором. Личный вклад автора включает выбор методов исследования, проведение расчетов, анализ результатов, подготовку макетов и участие в проведении экспериментальных исследований. Им лично разработан и выполнен расчет различных антенных систем и моделирование работы пеленгаторов на их основе.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 117 страницах. Диссертация содержит 107 рисунков и 14 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Куприц, Владимир Юрьевич

Основные результаты данной работы заключаются в следующем.

1. Обзор и анализ литературы показал возможность и необходимость разработки широкополосных антенных систем радиомониторинга на современной элементной базе. В частности, такие возможности открываются с появлением антенн в виде печатных плат с использованием современных материалов. Использование таких антенн для создания антенных решеток позволяет рассматривать их как наиболее подходящие для построения современных антенных систем средств радиомониторинга. Применение антенных решеток дает дополнительные возможности, такие как формирование адаптивной диаграммы направленности, электронное сканирование луча

2. Исследованы возможности расширения рабочей полосы антенной решетки с элементами Вивальди при различных вариантах расположения и конструкции элементов Вивальди в решетке. Установлено, что расположение антенн Вивальди в качестве элементов антенной решетки в узлах треугольной сетки позволяет расширить рабочий диапазон частот решетки в сторону низкочастотной области за счет увеличения ширины применяемых антенн Вивальди и таким образом, увеличить ее максимальный коэффициент перекрытия по частоте в два раза по сравнению с расположением элементов антенной решетки в узлах прямоугольной сетки, при отсутствии побочных дифракционных максимумов высших порядков.

3. Проведен анализ условий получения максимального значения коэффициента направленного действия плоской АР с элементами Вивальди, расположенными в узлах треугольной сетки. С помощью моделирования получено значение шага расположения элементов Вивальди в такой антенной решетке при котором достигается максимальный КНД решетки.

4. Разработана модель наземной трассы распространения радиоволн и с помощью моделирования проведено сравнение ошибок пеленгования амплитудных и фазовых пеленгаторов, использующих антенные решетки из элементов Вивальди и отдельные квадратные гребенчатые рупорные антенны, с учетом влияния условий распространения радиоволн на наземных трассах. В результате сравнения обоснованы преимущества использования антенных решеток с элементами Вивальди.

5. Экспериментально подтверждено, что АР с антеннами Вивальди можно использовать в качестве приемных антенн широкополосного фазового пеленгатора при измерениях пеленга внутри главного лепестка ДН АР.

6. Разработаны рекомендации по построению антенной системы малогабаритных широкополосных средств радиомониторинга с применением антенных решеток с элементами Вивальди.

7. Выбрано направление дальнейших исследований: разработка широкополосной многолучевой антенной решетки с элементами Вивальди расположенными в узлах треугольной сетки.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Куприц, Владимир Юрьевич, 2012 год

1. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. - М.: Советское радио, 1970. — 560 с.

2. Зарубежные радиоэлектронные средства/Под ред.Ю.М. Перунова. В 4-х книгах. Кн.1 Радиолокационные системы. М.: Радиотехника, 2010 - 336 с.3. http://www.ircos.ru/

3. Зарубежные радиоэлектронные средства/Под ред.Ю.М. Перунова. В 4-х книгах. Кн.З Антенны. М.: Радиотехника, 2010 - 355 с.

4. Бененсон Л. С., Слабонаправленные широкодиапазонные антенны, в сборнике: Современные проблемы антенно-волноводной техники, М., 1967;

5. Сверхширокополосные антенны. Перевод с англ./Под ред. Л.С. Бененсона. М.: Мир, 1964.416 с. с. 399-402.

6. Марков Г.Т., Сазонов Д.М., «Антенны», М., «Энергия», 1975г.-.с.

7. Логопериодические антенны / Владимир Антонович Яцкевич; Министерство образования Российской Федерации, Вологодский государственный педагогический университет. М.: Радио и связь, 1994; Вологда: Русь, 1994. - 97 е.: ил. - Библиогр.: с. 93-96.

8. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н., Спиральные антенны, М., "Советское радио", 1974, 224 с.

9. Айзенберг Г.З., Антенны ультракоротких волн, ч. 1., М., 1957.

10. R. Dehdasht-Heydari, Н. R. Hassani, and A. R. Mallahzadeh, «QUAD RIDGED HORN ANTENNA FOR UWB APPLICATIONS», Progress In Electromagnetics Research, PIER 79, 23-38, 2008.

11. Endfire Tapered Slot Antennas on Dielectric Substrates / K.S. Yngvesson, D.H. Schaubert, T.L. Korzeniowski, E.L. Kollberg, T. Thungren, J.F. Johansson // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1985. - Vol. SP - 33, № 12. - P. 1392 - 1400.

12. Ultra-wideband low-cost phased array radars/ C.T. Rodenbeck, S.G.Kim, W.H. Tu, M.R. Coutant, S. Hong, M. Li, K. Chang // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2005. - Vol. 53, № 12. - P. 3697 - 3703.

13. Janaswamy R., Analysis of the tapered slot antenna / Janaswamy R., D. Schaubert // IEEE Trans Antenna and Propagation, Vol. 35, No. 9, Sept. 1987. Pp. 1058-1064.

14. Janaswamy R., An Accurate Moment Method Model of the Tapered Slot Antenna / Janaswamy R., D. Schaubert // IEEE Trans Antenna and Propagation, Vol. 37, No. 12, Dec. 1989. Pp.1523-1527.16.