Удосконалення теорії й практики побудови коаксіально-колінеарних антен мікрохвильового діапазону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.396.67

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення теорії й практики побудови коаксіально-колінеарних антен мікрохвильового діапазону

05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки

Редькіна Олена Олександрівна

Харків -- 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Сльозкін Віталій Геннадійович, Севастопольський національний технічний університет, доцент кафедри радіотехніки й телекомунікацій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Усін Володимир Ананійович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки

доктор технічних наук, професор Проценко Михайло Борисович, Одеська національна академія зв'язку імені Попова, завідувач кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку

Захист відбудеться " 20 " травня 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розіслано " 17 " квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

Загальна характеристика роботи

Актуальність темі. Зони обслуговування великого радіуса дії (макрозони) у мобільному зв'язку зустрічаються, в основному, у професійному транкінговому зв'язку, або ж у ряді випадків стільникового зв'язку при формуванні мережі в сільській і гірській місцевості з невеликою кількістю абонентів. Антени для базових станцій (БС) систем мобільного зв'язку макрозон у цей час конструюються або шляхом застосування складних антенних систем з декількох елементів і кутових відбивачів, що реалізують секторну діаграму спрямованості, або з використанням синфазних антенних решіток, що мають високий коефіцієнт підсилення антенної системи в кутомісцевій площині при круговій діаграмі спрямованості (ДС) в азимутальній площині. Однак, при "класичному" підході до побудови синфазних антенних решіток, схему живлення розташовують поза випромінюючими елементами. Таким чином елементи схеми живлення опиняються в ближній зоні антен, що приводить до погіршення характеристик випромінювання антени.

Уникнути цієї проблеми можна, використовуючи технічне рішення "коаксіально-колінеарна антена" (ККА), принцип якої полягає в розділенні плечей "довгого" вібратора на напівхвильові ділянки, які виконані з відрізків коаксіальної лінії з колінеарним перез'єднанням центральних і зовнішніх провідників на кінцях ділянок. У результаті ККА містить декілька синфазно збуджуваних елементів, причому схема живлення ККА розташована усередині випромінюючої структури, завдяки чому вона не надає впливу на характеристики випромінювання.

Антени БС мобільних і професійних систем зв'язку, які випускаються фірмами Kathrein (Німеччина), LGP Allgon (Швеція), RFS Celwave (Німеччина), Andrew-Decibel (США), Cushcraft (Великобританія), НПК «Антенна ХХІ» (Росія) та ін., мають необхідні характеристики, широку смугу робочих частот та задовольняють технічним умовам відповідних систем зв'язку. До недоліків існуючих антен слід віднести неможливість адаптації характеристик випромінювання до особливостей зони обслуговування і відсутність можливості керування кутом нахилу діаграми спрямованості без зміни орієнтації антени в просторі. Такім чином для ліквідації недоліків необхідно створити нові структури антен, але відсутність теоретичної моделі таких випромінювачів стримує вирішення цієї задачі.

На підставі аналізу методів побудови коаксіально-колінеарних антен у дисертації запропонована структура з послідовними розгалуженнями в схемі живлення, що не має недоліків класичних коаксіально-колінеарних антен і відкриває нові можливості оптимізації її параметрів.

Таким чином, актуальною науковою задачею є вдосконалення теорії та створення нових варіантів коаксіально-колінеарних антен для базових станцій систем мобільного і професійного зв'язку, з метою одержання прийнятних для практики характеристик з урахуванням особливостей зони обслуговування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота проводилася відповідно до вимог «Концепції розвитку зв'язку України до 2010 року». Результати досліджень, що представлені в дисертації, використані при виконанні планової держбюджетної науково-дослідної роботи «Дослідження і розробка антен для стаціонарних і мобільних пунктів систем зв'язку» (ДР 0105U009119), в якій здобувач був виконавцем, і яка виконувалася на кафедрі радіотехніки Севастопольського Національного технічного університету.

Мета роботи -- розробка моделі, параметрична оптимізація і експериментальні дослідження структури коаксіально-колінеарних антен для оснащення перспективних базових станцій систем мобільного і професійного зв'язку.

Основні задачі дослідження:

1. Обґрунтування структури досліджуваних антен.

2. Розробка інженерних математичних моделей для аналізу вхідних характеристик і характеристик випромінювання антени досліджуваного типу.

3. Аналіз і параметрична оптимізація основних геометричних параметрів коаксіально-колінеарної антени для задоволення системним вимогам, що пред'являються до антен базових станцій мобільних і професійних систем зв'язку.

4. Проведення експериментальних досліджень розроблених конструкцій.

Об'єктом дослідження є хвильові процеси, формовані коаксіально-колінеарними антенами при випромінюванні електромагнітного поля.

Предметом дослідження є вхідні характеристики й характеристики випромінювання коаксіально-колінеарних антен з послідовними розгалуженнями в схемі живлення, розташованій усередині випромінюючої структури.

У роботі використані наступні методи дослідження: метод моментів -- для аналізу розподілу струмів для синфазної трьохелементної випромінюючої структури; узагальнений метод наведених ЕРС -- для аналізу розподілу струмів для синфазної й несинфазної трьохелементної випромінюючої структури; метод еквівалентних схем -- при розробці наближених математичних моделей для розрахунків вхідних характеристик і характеристик випромінювання коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення; експериментальні дослідження виготовлених макетів.

Наукова новизна роботи. При виконані дисертаційної роботи вперше отримані наступні результати:

1. Удосконалена математична модель випромінюючої структури, заснована на методі еквівалентних схем з використанням теорії довгих ліній, що відрізняється тим, що враховує послідовні розгалуження в схемі живлення і розподіл струмів для елементів випромінюючої структури як при синфазному, так і при несинфазному їхньому збудженні.

2. Вирішена задача параметричної оптимізації для класу коаксіально-колінеарних антен за критерієм близькості реальної форми діаграми спрямованості до квазіоптимальної (з точки зору забезпечення постійної інтенсивності сигналу в усій зоні обслуговування).

Практична цінність отриманих результатів.

1. Запропоновані розрахункові інженерні методики, отримано ряд чисельних і експериментальних даних, що представляють інтерес для розробників антен коаксіально-колінеарного типу. Розроблені рекомендації з вибору оптимальних геометричних параметрів коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення на основі практично важливих критеріїв. Підхід проілюстрований на прикладі трьохелементної антени з використанням критерію мінімуму розходження форм реальної й квазиоптимальной діаграм спрямованості.

2. Розроблені, виготовлені та експериментально досліджені макети коаксіально-колінеарних антен в декількох варіантах. На прикладі характеристик макета трьохелементної антені з послідовними розгалуженнями в схемі живлення показано, що даний варіант антени, незважаючи на простоту конструкції, має достатньо ступенів свободи для задоволення вимогам технічних умов, характерних для мобільних и професійних систем зв'язку, а також доведена можливість узгодження даного типу антен у відносній смузі робочих частот до 10% (за рівнем коефіцієнта стоячої хвилі (КСХ) не більш 1,5), що дозволяє забезпечувати частотний ресурс транкінгових і стільникових систем зв'язку. Подана заявка на патент № а200700451, яка перебуває на розгляді та має пріоритет від 16.01.07, і яка на, думку здобувача, підтверджує практичну значимість отриманих результатів.

3. Розроблена розрахункова програма інженерного рівня для аналізу i оптимізації характеристик коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення.

4. Результати теоретичних і експериментальних досліджень у вигляді розрахункових методик і працездатних макетів антен впроваджені в ТОВ «ЭЛАР» і ДАО "Чорноморнафтогаз", про що є відповідні 2 акти.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] проведене чисельне моделювання характеристик трьохелементної ККА, розроблена програма для розрахунків розподілу струму й діаграм спрямованості (ДС). В роботі [2] розроблена модель схеми живлення для розрахунків вхідного опору трьохелементної антени. В роботі [3] розроблена програма для розрахунків вхідного опору і коефіцієнта спрямованої дії трьохелементної антени, проведене порівняння отриманих результатів з експериментальними дослідженнями. В [4] проведене чисельне моделювання характеристик трьохелементної коаксіально-колінеарної антени з несинфазним збудженням елементів. Розроблені програми розрахунків розподілу струму і ДС. В роботі [5] представлені співвідношення для розрахунків вхідного опору еквівалентної схеми несиметричного вібратора з використанням методу довгих ліній. В роботі [6] представлені співвідношення для розподілу струму й ДС несинфазної трьохелементної коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення. Проведене чисельне моделювання ДС і вхідного опору трьохелементної структури. В роботі [7] здобувачем представлені співвідношення для розрахунків вхідного опору, розроблений макет і проведені експериментальні дослідження характеристик коаксіально-колінеарної антени з щілинною послідовною схемою живлення. В роботі [8] виконані макети й проведені експериментальні дослідження характеристик антен спрощеної конструкції. В роботі [9] розроблені макети й проведені експериментальні дослідження параметрів двох- і трьохелементної друкованої коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення; проведені теоретичні дослідження вхідного опору і ДС пласкої структури. В роботі [10] запропоновані зміни в конструкції розроблених раніш друкованих коаксіально-колінеарних антен з метою поліпшення їх діаграмних характеристик. Проведені теоретичні дослідження трьохелементної друкованої коаксіально-колінеарної антени. В роботі [11] представлені теоретичні дослідження розподілу струмів і діаграм спрямованості в трьохелементній структурі на основі методу еквівалентних довгих ліній без втрат N-елементної синфазної коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення. В роботі [12] розроблена модель для розрахунків вхідного опору N-елементної синфазної коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи докладалися та обговорювалися на наступних конференціях: 6-у, 7-у и 9-у міжнародних форумах «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (м. Харків, 2002, 2003 і 2006 рр.); 12-й, 14-й, 15-й і 16-й міжнародних конференціях «КрыМиКо «СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии»» (Севастополь, 2002, 2004, 2005, 2006 рр.); 4-th International Conference on Antennas Theory and Techniques (м. Севастополь, 2003 р.); 1-й і 4-й міжнародних молодіжних науково-технічних конференціях «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (м. Севастополь, 2005, 2008 рр.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 12 наукових праць, у тому числі 3 статті в спеціальних виданнях з переліку ВАК України та 5 робіт у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг роботи складає 240 сторінок, у тому числі: 71 рисунок (11 листів містять тільки рисунки). Список використаних джерел містить 81 найменування на 9 сторінках, три додатки представлені на 55 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, виявлені невирішені теоретичні і практичні питання, що стоять перед розробниками антен базових станцій мобільних систем зв'язку, сформовані мета і задачі досліджень. Охарактеризована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведена структура дисертації та анотація її розділів.

У першому розділі проведено дослідження особливостей побудови вертикальних вібраторних антен базових станцій мобільних систем зв'язку та підходів до їх аналізу. З метою виявлення вимог, що пред'являються до характеристик антен базових станцій великих зон обслуговування, проведений огляд відповідних стандартів і іншої нормативної документації, а також аналіз основних характеристик існуючих антен провідних виробників (фірми Kathrein і Cushcraft). Встановлено, що до недоліків існуючих антен слід віднести неможливість адаптації характеристик випромінювання до особливостей зони обслуговування, у тому числі відсутність можливості керування кутом нахилу діаграми спрямованості без зміни орієнтації антени в просторі.

Проведено аналіз існуючих варіантів побудови вертикальних вібраторних антен, в результаті якої обґрунтована перспективність розвитку конструкцій антен коаксіально-колінеарного типа. Зокрема, якщо використовувати в коаксіально-колінеарній антені послідовний коаксіальний дільник живлення, то буде забезпечене синфазне збудження випромінюючих елементів на будь-якій частоті, причому число ступенів свободи виявиться достатнім для оптимізації характеристик випромінювання.

У другому розділі розроблена наближена математична модель розподілу струму для випромінюючої структури для синфазної і несинфазної трьохелементних коаксіально-колінеарних антен на основі методу еквівалентних довгих ліній без втрат.

У еквівалентній моделі прийняті наступні позначення: W_e, W_m -- хвилеві опори еквівалентних довгих ліній для крайніх відрізків і середнього відрізка випромінюючої структури, відповідно; U₁, U₂ -- ЕРС еквівалентних джерел збудження випромінюючої структури.

При синфазному і рівноамплітудному збудженні випромінюючої структури розподіл струму, що нормується стосовно струму в пучності для крайніх відрізків, має наступний вигляд:

де K_em=sin(kl_e) / sin(kl_m / 2) -- нормуючий коефіцієнт, отриманий з умови безперервності струму в джерелах, k -- коефіцієнт фази.

При несинфазному збудженні випромінюючих елементів розподіл струму можна отримати на основі принципу суперпозиції, шляхом складання парціальних розподілів, що породжуються кожним з джерел окремо. Ці розподіли описуються телеграфними рівняннями для ліній без втрат, але з послідовними навантаженнями Z_S.

Враховуючи, що необхідно забезпечити режим збудження антени, близький до погодженого, в першому наближенні розриви між відрізками випромінюючої структури можна замінити опорами

Z_S = W_e + W_m.

Повний розподіл струму як сума парціальних розподілів матиме вигляд

I(z)=I₁(z)+ I₂(z) (1)

де

парціальний розподіл струму при збудженні джерелом U₁; I^'₀₁(z), I^'₁₂(z), I^'₂₃(z) -- розподіли струмів на ділянках 0-1, 1-2 і 2-3; I₂(z) -- парціальний розподіл струму при збудженні джерелом U₂, визначається аналогічно I₁(z). При цьому, несинфазне збудження враховується струмом в пучності

I_п2=jU^''₀ W_e-¹ = jU^'₀W_e-¹e-^jДц= e-^jДц

де U^'₀ и U^''₀ -- напруги на затисках джерел при їх парціальному збудженні; Дц -- зсув фаз збудження структури.

Розподіли струмів на ділянках, що входять в I₁(z) и I(z) (1), мають наступний вигляд:

де

U^'_01-(l_m/2)=jW_ecos(kl_e)+ Z_Ssin(kl_e)

напруга на кінці відрізка 1-2 з врахуванням падіння напруги на опорі пасивної щілини Z_S.

Аналогічно була отримана модель розподілу струму для п'ятиелементної випромінюючої структури, і, таким чином, була доведена можливість аналізу випромінюючої структури з будь-яким числом елементів.

Перевірка адекватності запропонованої наближеної моделі розподілу струму була виконана шляхом співставлення з результатами розрахунку, виконаних методом моментів і узагальненим методом наведених ЕРС. Було встановлено, що розходження між результатами, отриманими цими методами, не перевищує неточностей, допустимих в антенній техніці, що підтверджує адекватність запропонованої моделі сучасному рівню теорії коаксіально-колінеарних антен при відносній простоті застосування запропонованої моделі й значно менших обчислювальних витрат при оптимізації геометрії антени.

Розроблена загальна модель для розрахунку вхідного опору трьохелементної коаксіально-колінеарной структури, що включає схему живлення.

Дана модель передбачає два етапи розрахунків: на першому -- визначаються вхідні опори елементів випромінюючої структури, приведені до розривів відповідних відрізків ; на другому -- розраховується вхідний опір схеми живлення, навантаженнями якої є ці вхідні опори.

Для розрахунку вхідних опорів елементів випромінюючої структури коаксіально-колінеарної антени був застосований метод еквівалентних довгих ліній з втратами, обумовленими випромінюванням.

Довжини відрізків лінії вважалися рівними довжинам елементів випромінюючої структури l_e та l_m. Хвилеві опори еквівалентних ліній з врахуванням втрат визначалися по формулах

Z_e=W_e (1-jб_e/k)

Z_m=W_m (1-jб_m/k)

де W_e, W_m -- хвилеві опори відповідних ліній без втрат; б_e= R_1e / W_e, б_m= R_1m / W_m -- еквівалентні коефіцієнті загасання;

R_1e = R_?e [l_e(1-sin(2оkl_e))/(2оkl_e)]-¹

R_1m = R_?m [l_m(1+sin(оkl_m))/(оkl_m)]-¹

погонні опори втрат для відрізків ліній; R_?e,m -- опори випромінювання, які визначалися методом Пойнтінга для кожного елементу; о -- поправочний множник фази.

Подальше застосування методу еквівалентних довгих ліній вимагає його вдосконалення, оскільки даний метод не застосовний до розрахунків асиметричної парціальної моделі випромінюючої структури. Удосконалення методу, представлене в роботі, полягає в розділенні парціального збуджуваного джерела на два еквівалентні й уведенні в площину розділення віртуального нескінченного провідного екрана без порушення структури полів по обох його сторонах. Кожний з еквівалентних джерел збуджує свої відрізки ліній, що мають різні довжини.

В результаті для вхідного опору, приведеного до розривів випромінюючої структури, вдається отримати наступний вираз:

(2)

де -- комплексні коефіцієнти поширення для крайніх і середнього відрізків випромінюючої структури, відповідно;

коефіцієнт, який дорівнює відношенню струмів у пучностях, визначений за умови безперервності струму в точці живлення.

У моделі вхідного опору (2) можна врахувати вплив паралельно включеної торцевої ємності С_Т:

Z_вх.С=Z_вх/(1+j2рf С_ТZ_вх).(3)

Також модель (2) позволяє ввести в неї елементи компенсації реактивних складових вхідних опорів у вигляді послідовно включених короткозамкнених шлейфів.

Z_вх.к=Z_вх.С+jс₂tg(kl_ш) (4)

Дані елементи конструктивно являють собою відрізки зовнішньої коаксіальної лінії, довжини яких визначаються від розривів випромінюючої структури до короткозамикачів (останні можуть бути конструктивно реалізовані у вигляді переміщуваних при настроюванні поршнів.

На другому етапі розрахунок повного вхідного опору антени може бути виконаний згідно з виразом

(5)

де Z_вх2=с₂[2Z_вх+jс₂tg(kl_ш/2)]/[с₂+j2Z_вхtg(kl_ш/2)], а в якості Z_вх при різному ступені обліку реактивностій може бути взяте одне зі значень, отриманих за допомогою співвідношень (2), (3), (4).

Аналогічні вирази для розрахунків вхідного опору антени були отримані для п'ятиелементної та N-елементної структур.

У третьому розділі проаналізовані основні критерії оцінки якісних показників антен базових станцій мобільних і професійних систем зв'язку з зонами обслуговування великого радіуса, засновані на наступних інтегральних характеристиках:

1. Коефіцієнт спрямованої дії (КСД)

D=|E(и_max)|²4рR²/(Z_o|I_n|²R_?a),

R_?a=4рR²(Z_o|I_n|)-¹

опір випромінювання випромінюючої структури;



напруженість електричної складової поля в дальній зоні.

2. Коефіцієнт розподілу потужності випромінювання між кутомісцевими півпросторами

(6)

де

нормована ДС.

3. Коефіцієнт розходження форм реальної й квазіоптимальної ДС по потужності

(7)

де

нормована квазіоптимальна ДС (з точки зору забезпечення постійної інтенсивності сигналу у всій зоні обслуговування); и_min -- мінімальний кут відліку ДС; и'=60⁰ -- межа для кутів и, у яких зміна рівню сигналу від БС суттєво впливає на якість зв'язку.

Запропоновано критерій параметричної оптимізації геометричних параметрів трьохелементної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення (довжини середнього елемента l_m та коефіцієнта, рівного відношенню довжини крайнього елемента до довжини середнього, k_em=l_e/l_m) -- досягнення мінімуму коефіцієнта розходження форм ДC за умови, що значення КCД не приймає значення менш заданого:

,

де д_krf() -- цільова функція (7), залежна від вектора параметрів оптимізації ; R -- область значень параметрів оптимізації l_m і k_em, яка була визначена шляхом попереднього аналізу розподілів струмів і ДС трьохелементної антени (0,7< k_em <1,4, 0,583л< k_em <0,743л); D_min -- мінімально припустиме значення КCД при оптимізації.

У якості методу параметричної оптимізації обрано метод послідовного квадратичного програмування. Результати розрахунків, отримані в ході оптимізації синфазної антени і несинфазної антени зі зсувом фаз збудження 40° ілюструють збіжність процесу до глобального мінімуму функціонала (7) при прийнятних значеннях КСД.

Оптимальними параметрами для синфазної структури є l_m=0,732л, k_em=0,91, при цьому значення досліджуваних характеристик дорівнюють: КСД, D=4,98, що відповідає середнім значенням коефіцієнта підсилення відомих антен; коефіцієнт розподілу потужності випромінювання між кутомісцевими півплощинами (6) д_r=1, тобто потужності випромінювання, що доводяться на область неба й на зону обслуговування однакові; коефіцієнт розходження форм ДС д_krf =0,067.

Як видно із ДС для трьохелементної синфазної і несинфазної (рис.9) антен с оптимальними параметрами, у нижньому півпросторі (негативні кути місця и) формуються дві бічні пелюстки, максимуми яких лежать трохи вище ідеалізованої ДС косекансного типу.

Отримані результати показують, що структура несинфазної антени зі зсувом фаз збудження 40° реалізує зсув максимуму головної пелюстки ДС приблизно на 5°. Оптимальними параметрами для несинфазної структури є: l_m=0,730л, k_em=0,97. Отримані значення досліджуваних характеристик: КСД, D=4,86, значення якого менше величини, отриманої для синфазної структури, що може бути пояснене деяким розширенням головної пелюстки ДС при зсуві його максимуму; коефіцієнт д_r=4,8, який означає, що потужність, яка доводиться на зону обслуговування більше потужності, що випромінюється в область неба; величина коефіцієнта розходження форм д_krf=0,144.

Порівнюючи отримані результати, можна затверджувати, що оптимальні геометричні параметри для синфазної й несинфазної антен близькі, при тому що несинфазна антена забезпечує більш прийнятні для практики зв'язку характеристики, насамперед, за рахунок кращого перерозподілу випромінюваної потужності з верхнього півпростору, де вона витрачається даремно, у зону обслуговування.

Були виконані розрахунки вхідного опору та КСХ трьохелементної синфазної коаксіально-колінеарної антени з оптимальними геометричними параметрами при різних довжинах послідовних короткозамкнених шлейфів l_ш. коаксіальний колінеарний антена мобільний

Результати підтвердили можливість узгодження антени з 50-омним фідером живлення у відносній смузі робочих частот (2,5…10)% за рівнем КСХН K_стU?1,5, що є прийнятним для ряду видів систем мобільного і професійного зв'язку.

Досліджено два варіанти коаксіально-колінеарної антени з послідовними щілинними схемами живлення, які мають більш прості конструкції. Запропонований принцип переходу від трубчастих конструкцій до плоских на основі аналогії між коаксіальною та компланарною лініями.

У четвертому розділі приведені результати розробки і експериментальних досліджень макетів синфазної та несинфазної трьохелементної коаксіально-колінеарної антени.

Виконане співставлення результатів теоретичних і експериментальних досліджень залежностей вхідного опору й КСХН від частоти. Для синфазної структури ці результати мають достатній ступінь згоди.

Розходження характеру поводження теоретичних і експериментальних залежностей КСХН при зміні довжини послідовних короткозамкнених елементів, що узгоджують, може бути результатом неточності наближеної моделі короткозамкненого шлейфу (4).

Смуга узгодження за рівнем КСХН (K_стU?1,5) склала близько 10%, що у великому ступені задовольняє вимогам до антен базових станцій професійних транкінгових систем зв'язку.

У випадку несинфазної антени має місце розходження результатів, причиною якого можливо є неточність математичної моделі несинфазної структури. Смуга узгодження за рівнем КСХН (K_стU?1,5) склала близько 2,5%, що також задовольняє вимогам до антен базових станцій транкінгових систем зв'язку.

Проведене співставлення теоретичних і експериментальних досліджень ДС розроблених макетів синфазної і несинфазної трьохелементної коаксіально-колінеарної антени. У результаті встановлено, що по кутовому положенню максимумів і мінімумів теоретичні й експериментальні ДС розроблених антен близькі. Розходження ДС обумовлені неідеальними умовами вимірювального полігона й можливим неврахованим зсувом фаз збудження елементів антени.

На підставі досліджень ДС несинфазної антени підтверджена можливість керування кутом нахилу діаграми спрямованості шляхом зсуву розриву внутрішнього коаксіального провідника схеми живлення, який дозволяє одержати зсув фаз між полями кільцевих щілин, що збуджують розподіл струму у випромінюючій структурі.

Також були розроблені й експериментально досліджені макети коаксіально-колінеарних антен з послідовними щілинними схемами живлення й друкованої компланарної антени (див. рис. 11, в,д,ж). Була підтверджена можливість узгодження цих антен у смузі частот (5…20)% за рівнем КСХН K_стU?1,5, залежно від геометрії конструкції антен.

Основні результати і висновки

У дисертації вирішена науково-прикладна задача розвитку теорії й удосконалення конструкцій коаксіально-колінеарних антен з послідовними коаксіальними дільниками в схемі живлення завдяки використанню єдиного підходу до теоретичного аналізу схем живлення й випромінюючих структур таких антен. Підхід засновано на відомому методі еквівалентних ліній передачі. У результаті чого розроблювані антени для базових станцій систем мобільного і професійного зв'язку можуть забезпечити технічний ефект підвищення надійності зв'язку в межах зон обслуговування при ощадливій витраті енергоресурсів.

У результаті виконання роботи отримані наступні основні наукові та практичні результати:

1. Розроблена удосконалена наближена математична модель для визначення вхідного опору та діаграмних характеристик, що заснована на теорії довгих ліній. Дана модель ураховує як випромінюючу структуру, так і схему живлення коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення. З моделі розподілу струму випромінюючої структури визначають амплітудну діаграму спрямованості та опір випромінювання елементів схеми, які, в свою чергу, використовуються для знаходження вхідних опорів випромінюючої структури і вхідного опору антени вдосконаленим методом еквівалентних довгих ліній. Застосовність математичної моделі розподілу струмів підтверджена шляхом порівняння результатів розрахунків з результатами, отриманими узагальненим методом наведених ЕРС.

2. Запропоновано критерій оптимізації геометричних параметрів антени по мінімуму коефіцієнта розходження форм реальної й квазіоптимальної діаграм спрямованості при накладенні обмеження на мінімальне значення КСД. Проведена оптимізація геометричних параметрів синфазної й несинфазної трьохелементних антен.

3. Створене прикладне програмне забезпечення для розрахунків і моделювання характеристик коаксіально-колінеарних антен з послідовними розгалуженнями в схемі живлення.

4. Розроблені й експериментально досліджені модифіковані конструкції трьохелементної коаксіально-колінеарної антени з послідовними розгалуженнями в схемі живлення, чотириелементної коаксіально-колінеарної антени зі щілинною послідовною схемою живлення, двоелементної та трьохелементної коаксіально-колінеарних антен у друкованому виконанні. У результаті експериментальних досліджень підтверджена достовірність запропонованих математичних моделей і показана можливість досягнення антенами запропонованих різновидів більш прийнятних для практики характеристик, у порівнянні з існуючими антенами для мобільних і професійних систем зв'язку.

Результати досліджень коаксіально-колінеарних антен рекомендуються для впровадження на підприємствах і в організаціях, що займаються розробкою, виробництвом та експлуатацією антен для базових станцій систем мобільного і професійного зв'язку.

Список публікацій за темою дисертації

1. Редькина Е.А. Коаксиальная коллинеарная антенна для базовой станции телекоммуникационной системы / Е.А. Редькина, В.Г. Слезкин: матеріали 6-го міжн. форума [«Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке»], (Харків, 23-25 квітня 2002) / М-во освіти і науки України - Харківський національний університет радіоелектроніки - Х.: ХГТУРЭ, 2002. - Ч.1. - С. 255-256.

2. Мишустин Б.А. Оптимизация характеристик излучения коаксиальных коллинеарных антенн с последовательными делителями питания / Б.А. Мишустин, В.Г. Слёзкин, Е.А. Редькина: матеріали 12-ої міжн. наук.-техн. конф. [КрыМиКо-2002], (Севастополь, 10-14 вересня 2002) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Севастополь: «Вебер», 2002. - С. 347-348.

3. Редькина Е.А. Анализ входного сопротивления трехэлементной коаксиально-коллинеарной антенны / Е.А. Редькина, В.Г. Слезкин: матеріали 7-го міжн. форума [«Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке»], (Харків, 22-24 квітня 2003) / М-во освіти і науки України - Харківський національний університет радіоелектроніки - Харьков: ХНУРЭ, 2003. - С. 37.

4. Mishustin B.A. Coaxial collinear antennas with out-of-phase excitation of the elements / B.A. Mishustin, V.G. Slyozkin, E.A. Redkina: матеріали 4-ої міжн. конф. [ICATT-2003], (9-12 вересня 2003) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Киев: “Izvestiya Vusov”, 2003. - Т.1. - С. 504-507.

5. Редькина, Е.А. Приближенный метод расчета входного сопротивления вибраторных антенны с различной конфигурацией плеч [текст] / Е.А. Редькина, В.Г. Слёзкин // Вестник СевНТУ. Сер. Информатика, электроника, связь: сб. науч. тр. - 2004. - Вып. 60. - С. 131-139.

6. Редькина, Е.А. Исследование параметров трехэлементной коаксиально-коллинеарной антенны с последовательным делителем питания [текст] / Е.А. Редькина, В.Г. Слёзкин // Вестник СевНТУ. Сер. Информатика, электроника, связь: сб. науч. тр. - 2005. - Вып. 68. - С. 132-140.

7. Мишустин Б.А. Коаксиально-коллинеарные антенны со щелевой последовательной схемой питания / Б.А. Мишустин, В.Г. Слезкин, Е.А. Редькина: матеріали 14-ої міжн. наук.-техн. конф. [КрыМиКо-2004], (Севастополь, 13-17 вересня 2004) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Севастополь: «Вебер», 2004. - С.352-353.

8. Мишустин Б.А. Коаксиально-коллинеарные антенны повышенной технологичности / Б.А. Мишустин, В.Г. Слезкин, Е.А. Редькина: матеріали 15-ої міжн. наук.-техн. конф. [КрыМиКо-2005], (Севастополь, 12-16 вересня 2005) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Севастополь: «Вебер», 2005. - С.406-407.

9. Мишустин Б.А. Коаксиально-коллинеарные антенны с последовательными разветвлениями в схеме питания / Б.А. Мишустин, В.Г. Слезкин, Е.А. Редькина: матеріали 16-ої міжн. наук.-техн. конф. [КрыМиКо-2006], (Севастополь, 11-15 вересня 2006) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Севастополь: «Вебер», 2006. - С. 347-348.

10. Редькина Е.А. Трехэлементная печатная антенна с последовательными разветвлениями в схеме питания / Е.А. Редькина, В.Г. Слёзкин: матеріали 4-ої міжн. наук.-техн. конф. [«Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2008»], (Севастополь, 21-25 квітня 2008) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Севастополь: СевНТУ, 2008. - С.138.

11. Редькина Е.А. Анализ N-элементной коаксиально-коллинеарной антенны для системы мобильной связи / Е.А. Редькина, В.Г. Слёзкин: матеріали 9-го міжн. форума [«Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке»], (Харків, 19-21 квітня 2005) / М-во освіти і науки України - Харківський національний університет радіоелектроніки - Х.: ХГТУРЭ, 2005. - С. 99.

12. Редькина Е.А. Анализ N-элементной коаксиально-коллинеарной антенны для системы мобильной связи / Е.А. Редькина, В.Г. Слёзкин: матеріали 1-ої міжн. наук.-техн. конф. [«Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2005»], (Севастополь, 24-29 квітня 2005) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет - Севастополь: СевНТУ, 2005. - С. 30.

Анотація

Редькіна О.О. Удосконалення теорії й практики побудови коаксіально-колінеарних антен мікрохвильового діапазону. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 -- антени та пристрої мікрохвильової техніки. -- Харківський національній університет радіоелектроніки, Харків, 2009.

У дисертації вирішена науково-прикладна задача розвитку теорії й удосконалення конструкцій коаксіально-колінеарних антен з послідовними коаксіальними дільниками в схемі живлення завдяки використанню єдиного підходу до теоретичного аналізу схем живлення й випромінюючих структур таких антен. Підхід засновано на відомому методі еквівалентних ліній передачі.

Розроблені удосконалена математична модель для визначення поля випромінювання і вхідного опору синфазної і несинфазної коаксіально-колінеарних антен з послідовними розгалуженнями в схемі живлення. Проведений аналіз та параметрична оптимізація трьохелементної антени. Запропоновані модифіковані варіанти коаксіально-колінеарних антен спрощеної конструкції. Розроблені, виготовлені й експериментально досліджені макети антен у декількох варіантах. Показано, що експериментальні дані перебувають у задовільному ступені згоди з розрахунковими даними.

У результаті запропоновані модифіковані антени для базових станцій систем мобільного і професійного зв'язку, що забезпечують технічний ефект підвищення надійності зв'язку в межах зон обслуговування при ощадливій витраті енергоресурсів.

Ключові слова: антени для базових станцій, метод еквівалентних довгих ліній, коаксіально-колінеарні антени, компланарні антени.

Аннотация

Редькина Е.А. Усовершенствование теории и практики построения коаксиально-коллинеарных антенн микроволнового диапазона. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 -- антенны и устройства микроволновой техники. -- Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2009.

В диссертации решена научно-прикладная задача развития теории и усовершенствования конструкций коаксиально-коллинеарных антенн с последовательными коаксиальными делителями в схеме питания благодаря использованию единого подхода к теоретическому анализу схем питания и излучающих структур таких антенн, основанного на известном методе эквивалентных линий передачи, в результате чего вновь разрабатываемые антенны для базовых станций систем мобильной и профессиональной связи могут обеспечить технический эффект повышения надежности связи в пределах зон обслуживания при экономном расходовании энергоресурсов.

Разработана усовершенствованная математическая модель для определения входного сопротивления и диаграммных характеристик синфазной и несинфазной коаксиально-коллинеарной антенны с последовательными разветвлениями в схеме питания, которая основана на теории длинных линии и учитывает как излучающую структуру, так и схему питания. Модель представляет собой поэтапное моделирование характеристик антенны: определение распределения токов излучающей структуры для нахождения амплитудной диаграммы направленности и сопротивлений излучения, которые в свою очередь используются для определения входных сопротивлений излучающей структуры и входного сопротивления антенны усовершенствованным методом эквивалентных длинных линий.

Проведен анализ и параметрическая оптимизация геометрии трехэлементной коаксиально-коллинеарной антенны с последовательными разветвлениями в схеме питания по критерию минимума коэффициента расхождения форм реальной и квазиоптимальной диаграмм направленности при условии, что значение КНД не опустится ниже установленного значения. Область значений параметров оптимизации (длина среднего элемента и коэффициент отношения длины крайнего элемента к длине среднего ) была выбрана, исходя из предварительного анализа: , . Полученные оптимальные параметры для синфазной (, ) и несинфазной антенны (, ) оказались близки. Отмечено преимущество несинфазного варианта антенны за счет лучшего перераспределения мощности излучения из верхнего полупространства, в зону обслуживания.

Предложены новые, конструктивно более простые варианты антенн коаксиально-коллинеарного типа, в том числе печатная компланарная антенна.

Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы макеты модифицированных коаксиально-коллинеарных антенн в нескольких вариантах, в том числе плоскостного типа, допускающие изготовление печатным способом. На основе исследований диаграммных характеристик несинфазной трехэлементной антенны с последовательными разветвлениями в схеме питания подтверждена возможность управления углом наклона максимума диаграммы направленности путем смещения центра схемы питания без изменения геометрии излучающей структуры. Благодаря удовлетворительной степени согласия экспериментальных данных с расчетными доказано, что предложенные антенны при относительной простоте конструкции обеспечивают требуемые электрические характеристики.

Ключевые слова: антенны для базовых станций мобильных и профессиональных систем связи, коаксиально-коллинеарные антенны, метод эквивалентных длинных линий, печатные антенны.

Abstract

Redkina E.A. Improvements of theory and practice of the coaxial-collinear antennas construction in microwave range. -- Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science by speciality 05.12.07 -- antennas and microwave devices.-- Kharkov National Radio Electronic University, Kharkov, 2009.

A scientific task of the theory development and improvement of the coaxial-collinear construction with series coaxial dividers in the feed circuit has been solved. The task decided due to using of the theoretical analysis of the antenna's feed circuits and radiated structures based on the equivalent long-line method.

The mathematical models of current distributions, radiation fields and input impedances of in-phase and out-phase coaxial collinear antennas with series forks in the feed circuit have been developed. An analysis characteristics and optimization of antenna's geometry have been made. The other modified types of the coaxial collinear antennas with simpler construction are offered. It is proved due to the satisfactory consent of experimental and calculation results, that the offered antennas with relative simplicity of construction provide the required electric characteristics.

As a result the modified base station antennas for mobile and professional communication, which can provide of increasing of the connection's reliability within the service area at the cost saving of energy, are offered.

Key words: base station antennas for mobile and professional communication, equivalent log-line method, coaxial collinear antennas, co-planar antennas.

Размещено на Allbest.ru