Оптимізація геометричних параметрів еліптичних спіральних антен для рухомих систем супутникового зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Севастопольський державний технічний університет

Івашина Маріанна Валеріївна

УДК 621.396.677.45:621.396.946.2

ОПТИМІЗАЦІЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

ЕЛІПТИЧНИХ СПІРАЛЬНИХ АНТЕН ДЛЯ РУХОМИХ СИСТЕМ

СУПУТНИКОВОГО ЗВ'ЯЗКУ

05.12.07 Антени і пристрої мікрохвильової техніки

Автореферат

дисертації на здобуття ученого ступеню

кандидата технічних наук

Севастополь - 2000



Дисертація є рукописом.

Работа виконана на кафедрі радіотехніки Севастопольського

державного технічного університету.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор кафедри радіотехніки Севастопольського держав-ного технічного університету, м. Севас-тополь

Лобкова Любов Михайлівна.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, провід. наук. спів. кафедри фізики НВХ Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, м. Харків

Яцук Клара Прокопівна.

Кандидат фізико-математичних наук, доцент, професор кафедри основ радіотехніки Харківського державного технічного університету радіоелектроніки, м. Харків

Должиков Володимир Васильович.

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство "Науково-виробниче підприємство "Сатурн" Мініс-терства промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться "26" жовтня 2000 р. о 14³⁰ годині на засіданні Спеціалізованої ради К 50.052.03 у Севастопольському державному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко, конференцзал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці СевДТУ.

Автореферат розісланий 25 вересня 2000 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради В.В. Саламатін



Актуальність теми

У житті сучасного суспільства більш зростоючої ролі набувають різноманітні системи наземного і космічного зв'язку, при цьому їх якісні характеристики значною мірою визначаються рівнем розробки антенних пристроїв.

Особливої уваги заслуговують антенні пристрої для систем рухомого супутникового зв'язку (РСЗ), ефективність застосування котрих визначається як діаграмою спрямованості (ДС), коефіцієнтом спрямованої дії (КСД), так і частотними властивостями (широкосмужністю, діапазонністю) і, головне, поляризаційною структурою поля випромінювання (або прийому).

Сучасним вимогам до вказаних характеристик антен РСЗ відповідають різні модифікації плоских і об'ємних спіральних структур. Однак, не дивлячись на успіхи, досягнуті при розробці цього класу антен, їх подальше удосканалення стримується відсутністю математичних моделей поля випромінювання, що дозволяють оптимізувати геометричні параметри антени.

Так як спіральні антени є багатопараметричними випромінюючими системами їх експериментальне дослідження виявляється тривалим і затратним. Тому при оптимізації їх геометрії безперечно важливу роль відіграє математичне моделювання.

Пропонується розв'язок даної задачі, починаючи з дослідження спіральних структур, розміщених на еліптичному циліндрі. При цьому, можуть одержуватись моделі для наступних випадків: кругового циліндра; різного стиску еліптичного циліндра здовж малої вісі, а також його проекції на площину, що дозволяє розглянути різні варіанти плоских зигзаговидних і логоперіодичних антен.

Переваги запропонованого підходу обумовлені тим, що на основі розроблених математичних моделей поля випромінювання еліптично-циліндричних спіральних випромінювачів, була проведена оптимізація їх геометрії з точки зору задоволення вимог, що пред'являються до характеристик випромінювання антен в сучасних системах РСЗ.

Таким чином, необхідність одноманітної і математично адекватної побудови методики розробки циліндричних спіральних антен (ЦСА) з необхідними характеристикими випромінювання визначили актуальність проблеми та її наукову і практичну значимість.

Мета дослідження

Метою цієї роботи було створення узагальнюючої методики дослідження характеристик поля випромінювання і оптимізація геометричних параметрів еліптичних спіральних антен (ЕСА), що застосовуються в системах рухомого радіозв'язку

Основні завдання дослідження містили наступне:

Розробка математичної моделі поля випромінювання еліптичних спіральних антен із заданою геометрією.

Теоретичне дослідження характеристик поля випромінювання еліптичних спіральних антен: діаграм спрямованості, коефіцієнта спрямованої дії, а також коефіцієнта еліптичності в межах ширини головного пелюстка ДС в залежності від геометричних параметрів антен.

Оптимізація геометричних параметрів еліптичних спіральних випромінювачів.

Експериментальне дослідження характеристик випромінювання і вхідного опору еліптичних спіральних антен у діапазоні частот.

Методи дослідження

Теоретичне дослідження характеристик випромінювання еліптичних спіральних антен було проведене на основі розв'язання задачі електродинаміки з застосуванням методу векторного потенціалу. Модельний розподіл струму завдавався у вигляді поступальної хвилі з уповільненою фазовою швидкістю, а після того уточнювався шляхом порівняння теоретичних і експериментальних досліджень характеристик спрямованості. Задача оптимізації геометричних параметрів еліптичних спіральних антен була вирішена з використанням методу "градієнтного спуску". Як критерій оптимізації був прийнятий максимальний сектор кутів ДС, в межах якого зберігається поляризація близька до кругової з коефіцієнтом еліптичності не менше за 0,7.

Для визначення опору випромінювання спіральної антени застосовувався метод приведених ЕДС.

Наукова новизна

При виконанні дисертаційної роботи одержані наступні результати:

Уперше розроблена узагальнена математична модель поля випромінювання ЕСА і виведені співвідношення для аналізу спрямованих і поляризаційних характеристик поля випромінювання для різноманітних варіантів геометрії спіралі.

Проведено теоретичне дослідження коефіцієнта еліптичності в межах ширини головного пелюстка ДС для різних варіантів ЕСА.

Проведено теоретичне дослідження зміни характеристик випромі-нювання ЕСА залежно від кількості витків і кута їх нахилу, а також коефіцієнта стиску спіралі у діапазоні частот.

Сформульована і вирішена задача чисельної оптимізації геометричних параметрів еліптичних спіральних антен.

Проведене експериментальне дослідження характеристик випромі-нювання еліптичних спіральних структур, що підтверджує правильність обраної матема-тичної моделі антен.

Основні положеня, що виносяться на захист:

Математична модель поля випромінювання ЕСА, що дозволяє досліджувати поведінку характеристик випромінювання - ДС, КСД і коефіцієнта еліптичності - з урахуванням геометрії структури, а також розташування вузла збудження.

Результати теоретичного дослідження важливих для практичного застосування модифікацій спіральних струтур, розташованих на круговому циліндрі, а також еліптичному з різним ступенем стиску здовж малої осі.

Формули, що дозволяють визначити коефіцієнт еліптичності у межах всієї ДС.

Результати чисельної оптимізації геометричних параметрів спіраль-ної антени.

Результати експериментального дослідження характеристик поля випромінювання і вхідних опорів в діапазоні частот, для розроблених варіантів еліптичних спіральних антен.

Практична цінність

Розроблена методика теоретичного дослідження спіральних структур, розташованих як на круговому, так і на еліптичному циліндрі, а також його проекцію на площинах, тобто зигзаговидних структур.

Розроблена методика чисельної оптимізації геометрії ЦСА дозволяє здійснювати вибір її основних геометричних параметрів в залежності від вимог, що пред'являються до характеристик поля випромінювання різних систем супутникового зв'язку.

Запропонований спосіб поліпшення поляризаційний характеристик ЦСА в межах ширини ДС за рахунок переходу до ЕСА.

Розроблена еліптична спіральна антена, відмінна від циліндричної випромінюючої структури великим сектором кутів ДС, в межах якого зберігається поляризація близька до кругової з коефіцієнтом эліптичності не менше за 0,7.

Результати теоретичного і експериментального дослідження еліптичних спіральних антен можуть використовуватись при проектуванні спіральної антени для низькоорбітальних систем рухомого супутникового зв'язку, а також проек-туванні антенних решіток.

Апробація результатів роботи

Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорю-вались на:

The second International Conference on Antenna Theory and Techniques, Kyiv, Ukraine, 1997.

8-й Міжнародній науково-технічній кримській мікрохвильовій конференції: " СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии ", Севастополь, 1998.

International Symposium on Antennas and Propagation, Nice, France, 1998.

General Assembly of URSI, Toronto, Canada, 1999.

The third International Conference on Antenna theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine, 1999.

9-й Міжнародній науково-технічній кримській мікрохвильовій конференції: " СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии ", Севастополь, 1999.

International Symposium on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, 2000.

На семінарах і конференціях, що проводились на кафедрі радіотехні-ки Севастопольского державного технічного університету з 1997 по 2000 р.

Публікації

За матеріалами досліджень опубліковано 15 робіт: з них 4 - наукові статті, 10 - тез доповідей на міжнародних конференціях, 1 методичний посібник.

Обсяг роботи

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав і висновку, викладенних на 175 сторінках друкованого тексту з ілюстраціями на 45 сторінках, списку використаних джерел з 104 найменувань на 11 сторінках.

Зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність розробки математичної моделі поля випромінювання і оптимізації геометричних параметрів спіральних антен, призначених для систем РСЗ, сформульовані положення, що винесені до захисту, подана коротка анотація основних результатів дослідження і змісту дисертаційної роботи за розділами.

У першій главі був проведений аналіз існуючих типів антен обертової поляризації, їх направлених і поляризаційних характеристик з точки зору задовільнення вимог, що ставляться до сучасних РСЗ.

Особливість побудови сучасних низькоорбітальних систем РСЗ пояснюється, насамперед, необхідністю збільшення часу сеансу зв'язку. Це забезпечується застосуванням на кожному рухомому об'єкті або застосування на ньому антени з відносно широкою ДС (від 60⁰ і вище залежно від кількості супутників).

При цьому слід враховувати, що положення антени земних станцій відносно випомінювача супутника раніше не визначене і, до того ж, змінюється у часі. Тоді для збереження високих енергетичних характеристик каналу зв'язку протягом всього сеансу роботи потрібно використати антени з круговою поляризацією поля випромінювання, при чому мінімальний коефіцієнт еліптичності у межах ширини ДС повинен бути не менше 0,7.

Особливість радіочастотного забезпечення сучасних систем РСЗ в рамках загальної системи супутникового зв'язку визначається посиленням вимог, що пред'являються до електромагнітної спільності (ЕМС) з іншими системами. Таким чином, смуга частот систем РСЗ складає одиниці або десяті частки процентів у вибраному діапазоні, що приводить до необхідності застосування вузькосмугових антен.

Однією з перспективних випромінюючих структур для систем РСЗ є ЦСА. Даний клас антен дозволяє формувати ДС у межах 30⁰120⁰, з коефіцієнтом еліптичності у вісьовому напрямі не нижче 0,7, володіючи при цьому коефіцієнтом підсилення від 5 дБ до 13 дБ і коефіцієнтом перекриття за частотою не більше 1,7. Однак, при відхиленні від вісьового напряму для даного типу антен спостерігається різке зниження коефіцієнта еліптичності, що призводить до неоправданих втрат енергії сигналу. У даній роботі зроблена спроба покращення поляризаційних характеристик ЦСА у межах ширини ДС шляхом їх стиску у одній із площин, тобто за рахунок переходу до еліптичних спіральних антен (ЕСА).

На теперішний час розв'язок таких задач покращення поляризаційних властивостей ЦСА засновується на експериментальних дослідженнях, а в деяких випадках - на прикладі числових розрахунків для антен з заданою геометрією.

У даному розділі був зроблений вибір і обгрунтування методу дослідження характеристик поля випромінювання еліптично-циліндричних спіральних антен на основі розв'язку задачі електродинаміки із застосуванням методу векторного потенціалу.

У роботі також проведене дослідження одиночного рамкового елемента спіральних антен як окремого випромінювача. Одержані аналітичні вирази для складових поля випромінювання для варіантів збудження стоячої і поступальної хвиль струму. Для заданих варіантів виконання проаналізовані поляризаційний і властивості спрямованості рамкових антен залежно від геометричних параметрів: у широкому діапазоні змін відносно параметра рамкового обвитку і його діаметра. У результаті були виділені основні режими роботи антени: режим "малих рамок", осьового і богатопелюсткового випромінювання.

У другій главі подані основні співвідношення для розрахунку поляризаційної структури поля випромінювання ЕСА, необхідні для проведення процедури оптимізації геометрії антен. Також проведений аналіз залежності напряму властивостей антени і коефіцієнта еліптичності від основних геометричних параметрів ЕСА.

Розгляд ЕСА дозволив одержати розв'язок для широкого кола задач, об'єднаних ЕСА; так, наприклад, для структур розташованих на поверхні колового циліндра (ЦСА), або у вигляді проекції на площину, тобто зигзаговидні або логоперіодичні структури.

Оскільки досліджувалась поляризаційна структура поля, застосувався метод векторного потенціалу і всі перетворення виконувались у декартовій системі координат. Для повного опису електромагнітного поля ЕСА необхідно задатись розподілом струму здовж спіралі. Найбільш близькою до реального розподілу моделлю для струму І(s) є модель у вигляді поступальної хвилі з уповільненою фазовою швидкістю v_ф. Можливе зменшення амплітуди струму І(s) здовж довжини спіралі s за рахунок випромінювання істотно не вплине на характеристики антени, тому що головним фактором, що визначає поляризаційну структуру поля, буде фазовий розподіл струму. На рис.1 показана геометрія ЕСА: необхідні позначки, де a, b - велика і мала напівосі еліпса, - кут нахилу витка спіралі, - текучий кут, відрахований від осі X здовж витка і приймає значення , де N - кількість витків. На рис.1 також показана сферична система координат для точки спостереження

.

З урахуванням вищевикладеної узагальненої моделі поля випромінювання ЕСА були отримані співвідношення для наступних спіральних структур:

Для ЦСА, що описується параметричними рівняннями у вигляді:

.

Для плоскої зигзаговидної антени при значеннях

, , ,

параметричне рівняння записується у вигляді:

Відрізнятись від нуля будуть тільки компоненти та , отже поляризаційна структура поля буде визначатись наступними рівняннями:

;

У дисертаціїній роботі також були отримані формули для розрахунку основних характеристик поля випромінювання двозаходової ЕСА.

Таким чином, у другій главі розроблена узагальнена математична модель поля випромінювання ЕСА, а також виведені співвідношення для аналізу направлених і поляризаційних характеристик поля випромінювання для різних варіантів геометрії еліптичної спіралі, починаючи від циліндричної і до сильного стиску еліптичної твірної.

У третій главі представлені результати чисельної оптимізації геометричних параметрів однозахідних еліптичних спіральних антен (з розташуванням вузла збудження на малій напівосі еліптичного циліндра), включаючи аналіз розрахунку основних характеристик випромінювання антен: ДС, КСД і опору випромінювання.

Оптимізація геометричних параметрів ЕСА здійснювалася на основі представлених в розділі 2 співвідношень для коефіцієнта еліптичності. На першому етапі поставленої задачі було проведене дослідження поляризаційний структури поля випромінювання ЕСА в залежності від геометричних параметрів: кількості витків спіралі N; кута їх нахилу , відносного розміру ka і коефіцієнта стиску .

Згідно з умовою формування колової поляризації в осьовому напрямі, коли =1 і =, були одержані залежності параметра ka від при різному , які представлені в дисертаціїной роботі. Встановлений взаємозв'язок між трьома параметрами спіральної антени з чотирьох, що розглядаються, ka, , , і N дозволила перейти до аналізу поля випромінювання в залежності від двох параметрів: N і, наприклад .

На рис.2 подані результати розрахунків модуля і у залежності від кількості витків N для ЕСА з при =1; 0,9; 0,8. Як виходить з рис.2, а при малому значенні кількості витків кутова поляризація наявна тільки при N кратному 0,5, у решті випадків поляризаційна структура поля наближена до еліптичної. Також було встановлено, що, при поле в осьовому напрямі завжди поляризоване по колу.

На рис.3 показані залежності модуля коефіцієнта еліптичності від кутової координати у межах ширини ДС для випадку N=10, у площині XOZ. Установлено, що поляризація близька до колової, де не нижче 0,7, а =, зберігається у межах практично всієї ширини ДС у площині XOZ і у менших межах в площині YOZ, де вказана різниця складає не більше 10⁰20⁰.

Як виходить з рис.3, при переході до ЕСА від циліндричних спостерігається збільшення сектора кутів з поляризацією наближеною до колової у площині XOZ. При цьому в площині YOZ має місце незначне його зменшення.

Подальшим етапом проведення оптимізації був аналіз направлених характеристик спрямованності ЕСА, який здійснювався при умові формування кругової поляризації в осьовому напрямі, тобто з урахуванням взаємозв'язку між основними геометричними параметрами ka, і . Встановлено, що для циліндричних антен з заданою геометрією: при N=614, ,

Спостерігається однонапрямлене вісьове випромінювання з шириною ДС, що змінюється у межах від 160⁰ до 50⁰ і рівнем бічного і заднього випромінювання не вище -12дБ і -10дБ, відповідно.

При переході до ЕСА ця тотожність порушується: у площині XOZ ширина більша за , а у площині YOZ - менша за .

Аналіз чисельних даних дозволив виявити границі змін параметра , за яких зберігається режим вісьового випромінювання.

Подальше зменшення коефіцієнта стиску призвело до порушення однонапрямленого випромінювання здовж вісі антени, а при значеннях спостерігався багатопелюстковий характер ДС. Сильний стиск до дозволив перейти на режим випромінювання, що характерний для петлевого вібратора з поляризаційною структурою поля що наближається до лінійної.

Далі був проведений аналіз парціальних і повних КСД у лінійному і круговому ортогональних поляризаційних базисах для ЕСА осьового випромінювання. Встановлено, що переважніше працювати у круговому базисі

На основі проведеного аналізу основних характеристик випромінювання ЦСА була виділена область допустимих значень (ОДЗ) геометричних параметрів N, , ka для режиму односпрямованного випромінювання з круговою поляризацією в осьовому напрямі. При цьому, межі вказаної області були визначені виходячи з обмежень по рівню заднього (-20дБ, -22дБ, -24дБ) і бічного -16дБ випромінювання. Виділена ОДЗ геометричних параметрів зображена на рис.5. Проведене чисельне моделювання характеристик ЕСА дозволило виділити діапазон зміни основних геометричних параметрів N=913 і , при якому зберігаються відмічені поляризаційній властивості поля випромінювання спіральних антен при максимальному допустимому рівні бічного і заднього випромінювання -16дБ і -24дБ. Такий варіант уявлення ОДЗ дозволив також оцінити вплив вказаних параметрів нарізно на зростання бічного і заднього випромінювання. Так, було встановлено, що найбільш суттєвим фактором при врахуванні вимог до рівня заднього випромінювання (РЗВ) є вибір N, при цьому кількість витків N і кут їх нахилу практично у рівній мірі будуть впливати на рівень бічних пелюстків.

Оптимізація геометрії антени здійснювалася в межах виділеної ОДЗ N, , ka. Як критерій оптимізації був прийнятий максимальний сектор кутів ДС, в межах якого поляризація - близька до кругової і характеризується коефіцієнтом еліптичності не менше за 0,7. Результат оптимізації геометрії ЦСА представлений на рис.5, де інтенсивність зеленого кольору пропорційна цільовій функції.

Процедура оптимізації за названим критерієм була проведена з використанням методу "градієнтного спуску". Цільова функція і алгоритм оптимізаціі представлені в дисертаціїной роботі. Поставлена задача вирішувалася в діапазоні двох параметрів N, , при цьому передбачалося виділення двох вільних змінних ka і з підстановкою їх значень, виражених через N і , в цільову функцію. Подальше обчислення оптимальних значень вільних змінних здійснювалося по представлених в розділі 2 і 3 залежності і обмеженням-рівності.

Оптимальна структура з N=10,5 і =13,1⁰ ka=1,257 характеризується максимальним сектором кутів у площині YOZ =82⁰ і =104⁰ у площині XOZ. Для ЦСА при зміні N на 1-2 витка поляризаційна структура поля в секторі кутів ДC по заданому критерію залишається практично постійною, при цьому зменшення кута нахилу на 10 може дати виграш в до 8⁰.

Оптимальною ЕСА по заданому критерію при обмеженому рівні бічного -16дБ і заднього -24дБ випромінювання є ЕСА з N=10,5 і =13,10, ka=1,257 і коефіцієнтом стиснення 0,9, яка характеризується максимальним сектором кутів 116⁰ при допустимому рівні бічного -16дБ і заднього -24дБ випромінювання.

Був проведений аналіз частотних властивостей ЕСА на підставі оцінки опору випромінювання з застосуванням методу наведених ЕДС. Для цього спіральна структура подавалась у вигляді композиції двох незалежних решіток: системи диполів і системи паралельних еліптичних рамок, розташованих здовж осі Z. На підставі такого моделювання одержано вираз для опору випромінювання еліптичних спіральних антен. Межі змін опору випромінювання , обчисленого для ЕСА склали =125450Ом і =-200-250Ом, а опори взаємного впливу рамок і диполей одне на одного - десяті долі Ом.

У четвертій главі подані результати експериментального дослідження еліптичних спіральних антен.

Експериментальне дослідження ЕСА проводилось на основі виміру ДС, коефіцієнта еліптичності, КСД і частотних властивосей вхідного опору і коефіцієнта стоячої хвилі. Для цього були виготовлені експериментальні моделі ЕСА.

Представлені результати вимірів коефіцієнта еліптичності у секторі кутів ДС для моделі ЕСА №3 при =1, =0,9 і =0,8 на частоті f=736МГц. Порівняння експериментальних даних з теоретичними (див. рис.3) підтвердило можливість збільшення сектора кутів з поляризацією близькою до кругової шляхом переходу від ЦСА до ЕСА. При цьому найбільш прийнятною структурою для систем пересувного радіозв'язку за вказани критерієм є антена з N=10 і =140, ka=1,28 і =0,9.

Результати виміру ДС в площині YOZ зображені точками на рис. 4, де також представлені теоретичні дані. Співставлення цих залежностей показало, що методика теоретичного дослідження характеристик ЕСА дає вірогідний результат про характер поля випромінювання, в залежності від міри стиснення спіралі. Спостерігалося збереження режиму осьового випромінювання для ЕСА з коефіцієнтом стиснення від 1 до 0,7 і його порушення при більш сильному стисненні. При цьому в діапазоні частот ширина ДС ЕСА з коефіцієнтом стиснення не менше за 0,7 змінюється в межах від 76⁰ до 113⁰, а рівень бічного і заднього випромінювання не перевищує теоретично допустимий РБВ=-16дБ і РЗВ=-22дБ, тільки для еліптичних антен з параметром =0,9 і ЦСА.

Для ЦСА і ЭСА при =0,9 значення КСД мінялося в діапазоні 7дБ12дБ.

На рис.7-рис.8 представлені залежності вхідного опору і КСХ в діапазоні 600МГц-900МГц для трьох варіантів ЕСА з =1, 0,9 і 0,8. Оцінка частотних властивостей КСХ і вхідного опору ЕСА показала, що в діапазоні від 600МГц до 780МГц має місце відносну постійність вхідних характеристик для всіх варіантів антен з КСХ не більше за 2,5, а при переході до частот вище за 780МГц - необхідно використання узгоджуючих пристроїв. Перехід до антен з <1 веде до зменшення розбіжності значень вказаних характеристик відносно середнього рівня, при цьому найкращий варіант має місце при =0,9, де КСХ не більше за 2,4 у всьому діапазоні, що розглядається.

Таким чином, можна зробити висновки про доцільність використання ЕСА з коефіцієнтом стиску від 1 до 0,8 для формування осьового ДС. При цьому, структурою, найбільш близькою до оптимальної за критерієм максимального сектора кутів ДС, в межах якого коефіцієнт эліптичності не менше за 0,7, можна вважати ЕСА з коефіцієнтом стиснення 0,9.



Основні результати і висновки

Розроблена узагальнена модель для поля випромінювання одно- і двозаходової ЕСА з використанням режиму збуждення поступальною хвилею струму за точками збудження, розташованими як на великій, так і на малій осі еліптичного циліндра.

Виведені формули для дослідження плоских Z-структур.

Проведено теоретичне дослідження характеристик випромінювання ЕСА: ДС, парциальних і повних КСД і отримані наступні результати:

Режим осьового випромінювання ЕСА зберігається при значенні коефіцієнта стиснення . При сильному стисненні, де <0,6, спостерігається режим випромінювання, характерний для петльового вібратора за поляризаційною структурою поля наближеною до лінійної; При роботі ЕСА у круговому базисі величина виграшу за КСД у порівнянні з лінійним складає 2,53дБ.

Проведено теоретичне дослідження поляризаційної структури поля ЕСА в залежності від геометричних параметрів і отримані наступні результати:

Встановлений взаємозв'язок між кутом нахилу витків , відносним параметром ka і коефіцієнтом стиснення при умові формування кругової поляризації поля випромінювання ЕСА в осьовому напрямі;

Перехід від ЦСА до ЕСА приводить до збільшення сектори кутів ДС, в межах якого зберігається поляризація близька до кругової з коефіцієнтом эліптичності не менше за 0,7.

Виділена область допустимих значень геометричних параметрів ЦСА N=913 і, при обмеженнях по рівню бічного -16дБ, заднього випромінювання -24дБ. У межах цієї області проведена оптимізація геометрії ЦСА за критерієм максимального сектора кутів ДС з поляризацією близькою до кругової, еліптичності, що характеризується коефіцієнтом не менше за 0,7. Визначені геометричні параметри оптимальної структури для ЦСА: N=10,5, =13,1⁰ =1 і ЕСА N=10,5, =13,1⁰, =0,9.

Проведені експериментальні дослідження поляризаційної структури поля для виготовлених моделей еліптичних спіральних антен і одержані наступні результати:

Ширина ДС ЕСА в режимі осьового випромінювання міняється в межах від 76⁰ до 113⁰;

Коефіцієнт эліптичності не менше за 0,7 має місце в секторі кутів головної пелюстки ДС - 50⁰80⁰ для запропонованих моделей ЕСА з коефіцієнтом стиснення =1; 0,9;

Проведено експериментальне дослідження частотних властивостей вхідного опору еліптичних спіральних антен у діапазоні 600МГц900МГц, в результаті якого було встановлено:

ЕСА коефіцієнтом стиску =0,9 можна використовувати у всьому діапазоні частот при КСХ не більше за 2,4 у живильному фідері з хвильовим опором 93Ом (RG62A/U); ЦСА на всіх частотах крім смуги 863МГц875МГц, а еліптичну антену з =0,8 крім смуг 813МГц825МГц і 837МГц850МГц при КСХ у живильному фідері з хвильовим опором 93Ом, складаючим менш 2,5.

Як антени для рухомих систем супутникового зв'язку був рекомендований ряд циліндричних і еліптичних спіральних структур, включаючи циліндричну антену з геометричними параметрами:

кількістю витків спіралі N=10, кутом їх нахилу =14⁰, і коефіцієнтом стиску =1;

і характеристиками:

максимальним сектором кутів 50⁰, за яким наявна поляризація близька до кругової з коефіцієнтом еліптичності не менше 0,7;

коефіцієнтом спрямованої дії 8дБ12дБ;

рівнем бічного і заднього випромінювання не вище -16дБ, -24дБ, відповідно;

КСХ не більше 2,5 у діапазоні частот з коефіцієнтом перекриття 1,14;

і еліптичну антену з геометричними параметрами:

кількістю витків спіралі N=10, кутом їх нахилу =14⁰, і коефіцієнтом стиску =0,9;

і характеристиками:

максимальним сектором кутів 64⁰, за яким наявна поляризація близька до кругової з коефіцієнтом еліптичності не менше 0,7;

коефіцієнтом спрямованої дії 7дБ10дБ;

рівнем бічного і заднього випромінювання не вище -16дБ, -24дБ, відповідно;

КСХ не більше 2,4 в у діапазоні частот з коефіцієнтом перекриття 1,14.



Зміст дисертації відображений у наступних роботах автора

М.Б. Проценко, О.А. Посный, М.В. Ивашина, Анализ волнового сопротивления кольцевых антенн // Вестник СевГТУ, Информатика, электроника, связь, №10, 1998, С. 116-120.

Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, Направленные свойства круглых рамочных антенн в зависимости от геометрических параметров // Изв. Вузов. Радиоэлектроника, 1999, т.42. - №1. - С. 27-32.

Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, Математическая модель поля излучения эллиптических спиральных антенн и оптимизация их параметров //Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1999. - т.42. - № 9. - С.37-43.

Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, Математическая модель поля излучения спиральных антенн с заданной геометрией // Вестник СевГТУ, Информатика, электроника, связь, №18, 1999, С. 31-37.

L.M. Lobkova, O.A. Posniy, M.V. Ivashina, Influence of Geometrical Parameters of Ring Antennas on the Radiation Field, Proc. Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques, Kyiv, Ukraine, 1997, pp.135-137. (eng).

Л.М. Лобкова, М.В. Ивашина, В.В. Молчанов, Оптимизация параметров и результаты исследования поля излучения сферических спиральных структур // Мат. 8-я Меж. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Украина, 1998, С. 490-491.

Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, Математическая модель и результаты исследований поляризационных характеристик поля излучения спиральных структур, расположенных на эллиптическом цилиндре // Мат. 8-я Меж. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Украина, 1998, С. 486-487.

L.M. Lobkova, M.B. Prozenko, M.V. Ivashina, Engineering Model for the Input Impedance of Circular Loop Antennas, Proc. Int. Symp. on Antennas, Nice, France, 1998, pp. 120-123(eng).

Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, А.Ф. Розвадовский, Оценка потенциальной погрешности измерения поляризационных характеристик поля излучения методом 3-х антенн Мат. 9-я Меж. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Украина, 1999, С.380-381.

Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, В.В. Головин, метод измерения поляризационных характеристик антенн // Мат. 9-я Меж. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Украина, 1999, С.378-379.

M.V. Ivashina, L.M. Lobkova, M.B. Prozenko, Mathematical Model and Optimization of Geometrical Parameters for Flat Spiral Antennas of Diverse Configurations, Proc. of General Assembly of URSI, Toronto, Canada, 1999, pp. 9 (eng).

L.M. Lobkova, M.V. Ivashina, A.F. Rozvadovsky, Radiation features of a flat z - antenna, Proc. of ICATT, Sevastopol, Ukraine, 1999, pp. 337-338 (eng).

L.M. Lobkova, M.V. Ivashina, V.V. Golovin, Peculiarities of application of the induced EMF method for determination of helical antennas input impedance, Proc. of ICATT, Sevastopol, Ukraine, 1999, pp. 333-334(eng).

M.V. Ivashina , L.M. Lobkova , M.B. Protsenko, V.V Molchanov, Generalized model of radiation field of elliptical helical antennas, Proc. Int. Symp. on Antenna Theory and Techniques, Davos, Switzerland, 2000, pp 76(eng).

Методические указания по курсовому проектированию "Антенн длинных и средних волн" по дисциплине "Проектирование антенно-фидерных устройств" для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 7.090701 - радиотехника, СевГТУ, Севастополь, 1999.



Ивашина М.В. - Оптимизация геометрических параметров эллиптических спиральных антенн для подвижных систем спутниковой связи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - Антенны и устройства микроволновой техники. -Севастопольский государственный технический университет, Севастополь, 2000.

Диссертация посвящена вопросам оптимизации геометрических параметров эллиптически-цилиндрических спиральных антенн, применяемых в подвижных системах радиосвязи. В работе была разработана обобщающая методика исследования разнообразных конфигураций эллиптических спиральных антенн, распложенных как на круговом так и эллиптическом цилиндре, а также плоских Z-антенн. При этом электродинамическая задача решалась с применением метода векторного потенциала, где амплитудно-фазовое распределение тока задавалось в виде модели бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, а затем уточнялось путем сравнения теоретических и экспериментальных исследований характеристик излучения.

Были получены основные соотношения для расчета поляризационной структуры поля излучения ЭСА и проведен анализ зависимости направленных свойств антенны и коэффициента эллиптичности от основных геометрических параметров антенны. Также выведены формулы для исследования поля излучения плоской зигзагообразной Z-антенны, на основании которых была дана оценка характера поля излучения исследуемой структуры в различных плоскостях.

В результате теоретического исследования характеристик излучения ЭСА определены границы изменения коэффициента сжатия, при которых сохраняется осевое излучение и диапазон, где наблюдается режим излучения, характерный для петлевого вибратора с поляризационной структурой поля близкой к линейной. Проведена оценка выигрыша по энергетическим характеристикам КНД для ЭСА, излучающих в круговом и линейном поляризационном базисах.

Было проведено теоретическое исследование поляризационной структуры поля излучения ЭСА, в результате которого установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами - углом наклона витков , относительным параметром ka и коэффициентом сжатия при условии формирования круговой поляризации в осевом направлении.

Выявлены особенности в поведении коэффициента эллиптичности в пределах ширины главного лепестка ДН. Установлено, что при переходе к ЭСА от ЦСА наблюдается увеличение сектора углов с поляризацией близкой к круговой в плоскости XOZ и его уменьшение в YOZ.

На основе проведенного анализа основных характеристик излучения ЦСА была выделена ОДЗ геометрических параметров N, , ka для режима однонаправленного излучения с круговой поляризацией в осевом направлении. При этом, границы указанной области были определены исходя из ограничений по уровню заднего (-20дБ, -22дБ, -24дБ) и бокового -16дБ излучения. поступальна хвиля випромінювання електродінаміка

Проведенное численное моделирование характеристик ЭСА позволило выделить диапазон изменения основных геометрических параметров N=913 и =13⁰16⁰, при котором сохраняются отмеченные поляризационные свойства поля излучения спиральных антенн при максимальном допустимом уровне бокового и заднего излучения -16дБ и -24дБ. Такой вариант представления ОДЗ позволил также оценить влияние указанных параметров в отдельности на рост бокового и заднего излучения. Так, было установлено, что наиболее существенным фактором при учете требований к уровню заднего излучения (УЗИ) является выбор N, при этом количество витков N и угол их наклона практически в равной степени будут оказывать влияние на уровень боковых лепестков.

Оптимизация геометрии антенны осуществлялась в пределах выделенной ОДЗ N, , ka. В качестве критерия оптимизации был принят максимальный сектор углов ДН, в пределах которого поляризация - близка к круговой и характеризуется коэффициентом эллиптичности не менее 0,7.

Процедура оптимизации по названному критерию была проведена с использованием метода "градиентного спуска". Поставленная задача решалась в диапазоне двух параметров N, , при этом предусматривалось выделение двух свободных переменных ka и b/a с подстановкой их значений, выраженных через N и , в целевую функцию. Последующее вычисление оптимальных значений свободных переменных осуществлялось по представленным в работе зависимостям и ограничениям-равенствам.

Был проведен анализ частотных свойств сопротивления излучения ЭСА с применением метода наводимых ЭДС. Для этого спиральная структура представлялась в виде композиции двух независимых решеток: системы диполей и системы параллельных эллиптических рамок, расположенных вдоль оси Z. На основе такого моделирование было получено выражение для сопротивления излучения эллиптических спиральных антенн.

Проведены экспериментальные исследования характеристик излучения и частотных свойств входного сопротивления для ряда моделей разработанных эллиптических спиральных антенн. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов позволило разработать рекомендации по выбору геометрических параметров цилиндрических и эллиптических спиральных антенн и ряда конструкций антенн для их применения в качестве излучателей для подвижных систем спутниковой связи.

Ключевые слова: математическая модель, эллиптическая спиральная антенна, характеристики излучения, поляризационная структура поля излучения, оптимизация.



Ivashina M.V. - Optimization of elliptical helix antenna geometrical parameters for mobile satellite communication systems. - Manuscript.

Ph.D. thesis by speciality 05.12.07 - Antennas and microwave devices - Sevastopol State Technical University, Sevastopol, 2000.

The aim of the thesis was to work out a generalized model to investigation of helix antennas and optimization of their geometrical parameters. The problem under study was solved by means of the vector potential method with the current distribution presentation as a traveling wave. Particular attention was paid to the phaze current slowing along the antenna wire. According to the conception the data on the slowing coefficient was obtained on the basis of comparison of theoretical and experimental patterns.

In the course of the research the numerical modeling of helix antenna was carried out for radiation characteristics such as patterns, directivity and ellipticity coefficient. Also, optimization was made on a criterion of the maximal angle volume with a polarization close to circular, where the axial ratio ||0,7. Experimental investigation was made both for radiation characteristics and frequency features of the antenna input impedance.

From these studies we can draw a conclusion for the optimal helix antenna geometry on a criterion for maximal angle volume with a polarization close to circular.

The results of the investigation can be used in systems of mobile satellite communication.

Key words: mathematical model, elliptical helix antenna, radiation characteristics, polarization field ctructure, optimization.



Івашина М.В. - Оптимізація геометричних параметрів еліптичних спіральних антен для рухомих систем супутникового зв'язку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки. - Севастопольський державний технічний університет, Севастополь, 2000.

У роботі розглядається проблема розробки узагальнюючої моделі для дослідження спіральних антен з різними геометричними параметрами. Теоретичне дослідження характеристик випромінювання було проведене на основі розв'язання задачі електродинаміки з застосуванням методу векторного потенциалу з модельним розподілом струму у вигляді поступальної хвилі з уповільненою фазовою швидкістю; яка уточнювалася шляхом порівняння теоретичних і експериментальних досліджень характеристик випромінювання.

Розроблена методика оптимізаціі геометричних параметрів еліптичних і циліндричних спіральних антен за умови формування осьового випромінюван-ня з поляризацією, що наближається до кругової, де ||0,7 при обмеженому рівні бічного і заднього випромінювання. Для визначення опору випроміню-вання спіральної антени застосовувався метод приведених ЕДС. Проведено експериментальне дослідження як характеристик випромінювання, так і вхідного опору еліптичних спіральних антен у діапазоні частот. Розроблені нові випромінювальні антени для систем рухомого супутникового зв'язку.

Ключові слова: математична модель, еліптична спіральна антена, характеристики випромінювання, полярізаційна структура поля випромінювання, оптимізація.

Размещено на Allbest.ru