Размещено на http://www.allbest.ru/

НацІОнальнИй технІчНий унІверситет украЇнИ

“КиЇвсЬкий полІтехнІчНий Інститут”

УДК 621.396.677: 621.396.677.49

СЛАБОспрямовані антени метрового І дециметрового дІапазоніВ хвиль для систем радІОМОНІТОРИНГУ

05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Громоздін Валентин Володимирович

Київ - 2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор, Лобкова Любов Михайлівна,Севастопольський національний технічний університет, професор кафедри радіотехніки, м. Севастополь.

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедрою прикладної електродинаміки, м. Харків.

доктор технічних наук, професор Мачуський Євгеній Андрійович НТУУ “Київський політехнічний інститут”, декан факультету інформаційної безпеки фізико-технічного інституту, м. Київ.

Провідна установа:Відкрите акціонерне товариство “Науково-виробниче підприємство “Сатурн”, м. Київ.

Захист відбудеться 17 квітня о 15 годині на засіданні спеціалізованої ради Д26.002.14 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”, 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. 1, к. 271а. синтез антенний випромінювач спіральний

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 15 березня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ Уривський Л.О.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний стан радіозв'язку характеризується значним зростом кількості радіозасобів у різних діапазонах частот, що істотно ускладнює електромагнітну обстановку та, відповідно, технічний контроль радоефіру (радіомоніторинг). Основні задачі радіомоніторингу, такі, як прийом сигналів у всьому частотному діапазоні, вимір параметрів випромінювань, визначення місцеположення джерел випромінювань, вимогають наявність значної кількості малогабаритних антен, які мають як максимально широкий частотний діапазон, так і різні спрямовані властивості.

В сучасний період для контролю сигналів у широкому секторі кутів із заздалегідь невідомим видом поляризації використовуються спіральні антени чи антени, у яких переключаються елементи для роздільного прийому сигналів з горизонтальною чи вертикальною поляризацією. При цьому для контролю всього верхнього півпростору додатково застосовують поворотні пристрої, що викликає ряд незручностей при експлуатації. Таким чином, розробка антени, яка має квазіізотропну діаграму спрямованості (ДС), яка при цьому приймає сигналі з будь-яким, заздалегідь невідомим, видом поляризації, є актуальною практичною задачею.

В сучасний період відсутні інженерні методи розрахунку рамкових антен з навантаженням, які використовуються для пошуку невідомих випромінювань та завад у ближній зоні. Розробка математичної моделі та визначення на її основі оптимальних геометричних параметрів таких антен, величини опору навантаження та схеми живлення, які забезпечують максимальне посилення і мінімальний рівень випромінювання у зворотному напрямі, а також визначення меж робочого діапазону частот також є актуальною і практично важливою задачею.

Таким чином, створення математичної моделі сферо-циліндричних та рамкових випромінювачів з навантаженням, аналіз і оптимізація їх характеристик є актуальною задачею, яка має наукове та прикладне значення.

Дана робота присвячена дослідженню і розробці антен для систем радіомоніторингу в найбільш завантажених у сучасний період діапазонах хвиль - метровому і дециметровому, які мають потрібні характеристики, як по поляризаційній структурі поля випромінювання, так і по спрямованим властивостям. Поставлена задача вирішується шляхом використання різноманітних конфігурацій спіральних та рамкових випромінювачів з навантаженням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках держбюджетних НДР "Волна-Л" (№ Держреєстрації 0198U002842) і “Касіопея” (№ Держреєстрації 0101U00101), а також у рамках договору №01/10-01 з Державною інспекцією електрозв'язку по Автономній республіці Крим.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є аналіз і синтез антенних пристроїв для радіомоніторингу, що грунтується на застосуванні різноманітних конфігурацій спіральних випромінювачів, а також у виді рамкових випромінювачів з навантаженням, що в загальному випадку має комплексний характер.

Основні задачі досліджень включали наступне:

Розробку методу синтезу антени, що складається із спіральних випромінювачів, розташованих на циліндричній і півсферичній поверхнях.

Розробку математичної моделі поля випромінювання рамкових антен квадратної, круглої та еліптичної форми с комплексним навантаженням.

Виведення формул, що описують вхідний опір, як для спіральних, так і рамкових випромінювачів з довільною конфігурацією.

Теоретичне дослідження поляризаційної структури поля випромінювання (у лінійному та круговому поляризаційних базисах) спіральних антен, розташованих на циліндричної, сферичної і сферо-циліндричної поверхнях, у залежності від їх геометрії і з урахуванням коефіцієнту еліптичності у частотному діапазоні.

Експериментальне дослідження поля випромінювання і частотних властивостей вхідного опору розроблених сферо-циліндричних і навантажених рамкових випромінювачів.

Об'єкт та предмет дослідження. Об'єктом досліджень є технічний контроль за радіоефіром. Предметом досліджень є слабоспрямовані антени для контролю завантаження радіоефіру і пошуку джерел випромінювань у ближній зоні.

Методи дослідження. Для досліджень поляризаційної структури випромінювання, у тому числі і з поляризацією, яка обертається, використаний метод векторного потенціалу, а розподіл струму у спіральних і рамкових антенах задавався у вигляді бігучої хвилі.

Дослідження частотних властивостей вхідного опору здійснювалося з використанням еквівалентних двохпровідних ліній з втратами, при цьому опір випромінювання включався розподілено в околиці пучності струму.

Наукова новизна отриманих результатів. При виконанні дисертаційної роботи отримані наступні результати:

Запропонований метод синтезу антени, що складається з спіральних випромінювачів, розташованих на сферо-циліндричній поверхні, з метою отримання квазіізотропної діаграми спрямованості у верхньому півпросторі.

Виведені формули для двохзахідної сферо-цілиндричної спіральної антени, які дозволяють розраховувати поляризаційну структуру поля.

Розроблена математична модель рамкових випромінювачів круглої, квадратної та еліптичної форми з комплексним навантаженням, виконаних з плоских провідників ширини, що змінюється, на підставі якої можливо досліджувати основні характеристики поля випромінювання.

Проведене теоретичне дослідження залежності спрямованих і поляризаційних властивостей сферо-циліндричних спіральних антен, а також рамкових випромінювачів від їх геометричних параметрів і довжини хвилі.

Виведені формули для дослідження вхідного опору навантажених рамкових антен, що дозволяють встановити його частотні властивості.

Результати експериментальних досліджень розроблених антен, що включають як характеристики випромінювання, так і вхідні опори, які дозволили підтвердити правильність обраних математичних моделей та виведених формул для чисельних розрахунків.

Практичне значення отриманих результатів

Запропонований метод синтезу антени, що складається з спіральних випромінювачів, розташованих на сферо-циліндричній поверхні.

Розроблена математична модель рамкових випромінювачів з комплексним навантаженням квадратної, круглої та еліптичної форм.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень і вироблені на їх основі рекомендації по застосуванню сферо-циліндричних та рамкових випромінювачів з комплексним навантаженням квадратної, круглої та еліптичної форм.

Розроблена конструкція двохзахідної сферо-циліндричної спіральної

антени з квазіізотропною ДС у верхньому півпросторі для контролю радіосигналів із заздалегідь невідомим видом поляризації.

Результати роботи впроваджені на підприємствах Державної Інспекції Електрозв'язку по Черкаській, Дніпропетровській, Луганській, Житомирській областям, по Автономній Республіці Крим і м. Севастополь, а також у Центрі прийому наукової інформації (м. Євпаторія).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати одержані автором особисто. Визначені основні методи пошуку джерел перешкод у радіоефірі (13,14,15,16,17), виявлені особливості поля випромінювання спіральних антен (1,9,10,18), запропонований метод побудови спіральної антени, що розташовується на сферо-циліндричній поверхні та її математична модель, зроблений чисельний аналіз і експериментальні дослідження (3,6), розроблена математична модель та проведений аналіз поля випромінювання навантажених рамкових антен (5,11,20), запропоновані і проаналізовані схеми використання їх у складі антенних решіток (7,8,12,19), проведений аналіз вхідного опору рамкових випромінювачів різної конфігурації (2,4).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися та обговорювалися на:

49-й научно-технической конференции. С.-Пб. ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, РФ. 1996.

51-й научно-технической конференции. С.-Пб. НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, РФ. 1996

50-й научно-технической конференции. С.-Пб. ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, РФ. 1997 г.

51-й научно-технической конференции. С.-Пб. ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, РФ. 1998 г.

Семинаре сотрудников Государственного надзора за связью в Российской Федерации. С.-Пб. ГУТ, РФ. 1998 г.

10-й Международной Крымской микроволновой конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, Севастополь, Украина. 2000.

VIII-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. Kharkov, Ukraine. 2000.

Всероссийской научно-технической конференции “Излучение и рассеяние электромагнитных волн”. Таганрог, Россия. 2001.

IX мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї “Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах ”. Хмельницький, 2002р.

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 20 праць: 7 статей у наукових фахових виданнях, 10 тез доповідей на науково-технічних конференціях, отримано 3 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 141 сторінці машинописного тексту з ілюстраціями на 59 сторінках, списку використаних джерел з 115 найменувань на 12 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність розробки спіральних сферо-циліндричних і навантажених рамкових антен, визначена необхідність побудови математичної моделі цього типу антен, сформульовані положення, що виносяться на захист, наведена стисла анотація основних результатів дослідження і зміст дисертації по розділам.

У розділі 1 проведений аналіз застосовуваних антен у службах контролю за радіоефіром, а також визначені задачі по розробці антенних систем для цих цілей.

Узагальнюючі усе різноманіття задач радіомоніторингу можливо виділити наступні три основні напрямки, що визначають загальні вимоги до антен, що застосовуються: прийом сигналів у всьому спектрі частот от 10 кГц до 40 ГГц; вимір параметрів випромінювань; визначення місцезнаходження джерел випромінювання.

Вирішення поставлених задач здійснюється зі стаціонарних та рухомих станцій технічного радіомоніторингу із застосуванням широкого набору антен, як спрямованих, так і всенаправлених. При цьому для рухомих станцій на перший план виходять масо-габаритні параметри.

Проведено огляд існуючих методів побудови антенних систем для радіомоніторингу. Показано, що серед існуючих типів антен відсутні антени для контролю сигналів з літальних об'єктів та котрі володіють для цього квазіізотропною ДС у верхньому півпросторі при заздалегідь невідомому виді поляризації прийнятого сигналу. Задачу створення ізотропної ДС у верхньому півпросторі пропонується вирішити шляхом синтезу спіральних структур, розташованих на півсфері та її циліндричному продовжені.

Також виявлена відсутність строгої математичної моделі, інженерної методики розрахунку і рекомендацій по розробці рамкових антен з навантаженням, що мають спрямованість випромінювання у широкому частотному діапазоні при малих електричних розмірах.

У розділі 2 розглянуті методи побудови спіральних антен з заданими спрямованими властивостями.

Були проаналізовані раніш існуючі результати по спіральним структурам, розташованим на циліндричній та півсферичній поверхнях.

Аналіз характеристик випромінювання двохзахідної спіралі, розташованої на циліндричної поверхні, був проведений як в залежності від куту намотування витків , так і від їх кількості у частотному діапазоні від 500 МГц до 1200 МГц. Кут намотування витків змінявся у межах від 5^о до 70^о. Аналіз ДС був проведений для складових поля і у лінійному поляризаційному базисі, а також для і у круговому базисі. Ступінь ізотропності ДС визначалася по зміні і в азимутальній площині (XOY) при . Особлива увага була приділена напрямам і . Було показано, що збільшення числа витків веде до концентрації випромінювання в осьовому напрямку. Розширення ДС відбувалося за рахунок зменшення числа витків, при цьому, однак, коефіцієнт еліптичності, близький до одиниці, зберігався тільки при числі витків, кратному 0.5. Аналіз і також показав, що ДС має максимальну ширину при куті намотування , що змінювався у межах від 25^о до 40^о і при числі витків на циліндричної поверхні . Так, при куті намотування ^о ширина ДС знаходилась у межах . Максимум випромінювання для і відповідав (осьове випромінювання), при цьому для рівень поля змінювався від -9 дБ до -20 дБ. Аналогічна картина мала місце для і .

Далі дослідження було проведене у частотному діапазоні для випадку . Так, аналіз частотної залежності ДС для показав, що максимум випромінювання при зберігався при зміні від 0.25 м до 0.231 м, потім відбувалося зміщення максимуму до значення . Найбільш високий рівень поля досягався при і складав мінус 5 дБ, що свідчить про наближення ДС до квазіізотропної.

Далі була досліджена півсферична спіральна антена, захуди якої розташовувалися у вершині півсфери, а закінчувалися в екваторіальній площині.

На рис.1. показана геометрія двохзахідної спіралі Архімеда на півсфері при числі витків = 0.5; 1 і 2.

Поточні координати заходів спіралі, зміщених на відносно один одного, визначалася співвідношеннями:

1-й захід: ; ; ;

2-й захід: ; ; . (1)

Враховуючи, що зміняється від 0 до /2, а - від 0 до свого максимального значення , що відповідає кінцю спіралі, визначається , де - число витків на півсферичній поверхні, отже, шаг спіралі дорівнює: , звідки , а довжина спіралі визначалася співвідношенням:

. (2)

Співвідношення для векторного потенціалу подані у вигляді:

, (3) де: отже,

При цьому компоненти поля випромінювання і , що визначені через векторний потенціал , мають вигляд:

(4)

де компоненти векторного потенціалу ,, можуть бути визначені, коли заданий розподіл струму вздовж спіралі , який у даному випадку задається у вигляді бігучої хвилі:

, (5)

де: , ( _ коефіцієнт уповільнення; );

_ амплітуда струму на вхідних затисках спіралі.

Враховуючи вищевикладене, компоненти векторного потенціалу першого заходу визначаються як:

; (6)

; (7)

, (8)

де: ;

;

.

По аналогії записуються співвідношення векторного потенціалу ,, для другого заходу. При цьому збудження другого заходу спіралі здійснювалося зі зсувом фази на : . Тоді результуюче поле випромінювання двохзахідної спіралі визначається компонентами векторного потенціалу:

; ; . (9)

На підставі формул (3-9) були проведені чисельні розрахунки і проведена оптимізація геометричних параметрів спіральної структури по критерію квазіізотропності ДС, у межах котрої зберігається поляризація, близька до кругової.

По аналогії з циліндричною структурою була розглянута півсферична з м та числом витків ; 1 і 2 у частотному діапазоні від 500 МГц до 1500 МГц. В даному випадку збільшення числа витків також призвело до концентрації випромінювання в осьовому напрямку. Розширення ДС спостерігалося при зменшенні числа витків, при цьому коефіцієнт еліптичності, близький до одиниці, зберігався тільки при числі витків, кратному 0.5.

Так, у випадку 0.5 для компоненти квазіізотропність має місце для м, при цьому , для , що свідчить о слабкій частотній залежності ДС для . Для має місце ДС, близька до ізотропної у всьому частотному діапазоні. При цьому кут , під яким спіраль перетинає екваторіальну площину, складає 26.5^о.

Подальший аналіз поля випромінювання показав, що квазіізотропну ДС у верхньому півпросторі можна отримати, коли маловиткову півсферичну спіраль доповнити також маловитковою циліндричною спіраллю, іншими словами була розглянута сферо-циліндрична маловиткова спіраль (см. рис.2). У цьому випадку результуюче поле випромінювання визначалося суперпозицією полів від сферичній і циліндричній частин спіральної структури: , при цьому параметричні рівняння одного заходу спіралі представлені співвідношеннями:

де: ; ; , - відповідно радіуси півсферичній і циліндричній поверхні, причому.

На підставі виведених формул був проведений чисельний аналіз для випадків, коли на півсферичній поверхні розташовувалася спіраль з ; 1 і 2, а на циліндричної з .

При n_сф = 1 було встановлено, що для у діапазоні мав місце максимум випромінювання як при , так і при , для інших максимум зберігався при і був послабленим при до -2 дБ…-3.5 дБ. Ці данні зберігають свої значення при . Далі із збільшенням >1 спостерігався ріст спрямованості ДС у верхньому півпросторі. На підставі сказаного, перехід до синтезу сферо-циліндричної спіралі обмежувався значеннями = 0.5 і = 1.

Характерні ДС представлені на рис.3.

Таким чином, отримані результати дозволяють визначити оптимальні параметри синтезованої спіральної антени з заданою формою ДС для і , а також визначити параметри і тип приймальної антени, що працює на прийом однієї з компонент і в лінійному базисі, чи переходити до антени спіральної структури та здійснювати прийом чи .

У розділі 3 наведені результати теоретичного дослідження, що включають основні співвідношення для визначення поля випромінювання рамкових антен різних конфігурацій: квадратних, круглих та еліптичних, навантажених, в загальному випадку, на комплексний опір . Приведені основні розрахункові співвідношення для визначення їх хвильового і вхідного опорів.

На рис.4 показана еліптична рамка та необхідні позначення: a і b - велика і мала півосі еліпсу; r, і - сферичні координати точки спостереження M; ₁, ₂ - поточні кути елементів дуг рамки.

Амплітудно-фазовий розподіл струму вздовж провідників візначався з модельного представлення антени у вигляді довгої лініх із втратами, які в даному випадку обумовлені випромінюванням антени. Цей розподіл може бути уточнено ітераційним методом, першим наближенням якого є завдання моделі у виглді лінії без втрат, при котрої розподіл струму вздовж провідника має вигляд бігучої хвилі з постійною амплітудою.

У загальному випадку вирази компонент поля і можна подати у вигляді:

;

, (10)

де для еліптичного випромінювача:

; (11,а)

; (11,б)

- для прямокутного випромінювача:

; (12,а)

(12,б)

де: постійний множник, що характеризує сферичний фронт хвилі у дальній зоні випромінювання антени; і відповідно координати випромінюючих провідників та їх диференціали відносно параметричного кута ; функція амплітудно-фазового розподілу струму вздовж випромінюючих провідників , при .

Наведені співвідношення дозволяють визначити частотні залежності основних параметрів навантажених рамкових випромінювачів.

Чисельні розрахунки ДС дозволили встановити, що основний вплив на характеристики випромінювання антени надає відносний периметр рамки, при цьому спрямовані властивості антени можна охарактеризувати двома режимами: режимом зворотного випромінювання з максимумом у напряму і при та режимом прямого випромінювання з максимумом у напряму і при .

Режим прямого випромінювання достатньо докладно досліджений на прикладі ромбічних антен, тому основна увага була приділена режиму зворотного випромінювання, при якому форма ДС антени має вигляд кардиоїди.

На рис.5 приведена залежність коефіцієнту підсилення (КП) і коефіцієнту захисної дії (КЗД) антен різної конфігурації при опорі навантаження 300 Ом.

Видно, що КП зростає з ростом частоти і є максимальним в області , потім зменшується у зв'язку з розвалом ДС. Коефіцієнти підсилення для рамок різної конфігурації близькі по своїм значенням, а при рівності периметрів розглянутих рамок є максимальним для рамки круглої конфігурації. Встановлено, що КЗД зменшується при зростанні відносного периметру рамки, однак КЗД для рамок різної конфігурації різний і є максимальним для еліптичних рамок с більшим ексцентриситетом.

В області значень помітно істотне зниження коефіцієнту корисної дії і КП антени при зберіганні форми ДС.

Таким чином, якщо обмежити частотний діапазон (габаритні розміри) рамочного випромінювача у високочастотній області зберіганням спрямованих властивостей, а у низькочастотній області - припустимим зменшенням коефіцієнту підсилення, то для практичного застосування у широкому діапазоні частот можна рекомендувати значення , у вузької смузі частот можна рекомендувати значення

Проведено дослідження вхідних характеристик рамкових випромінювачів. При цьому використаний узагальнений метод наведених ЭРС та двохмодова схема розкладу струму антени на еквівалентні синфазні та протифазні компоненти, що дозволило зменшити кількість допоміжних елементарних вібраторів і моделювати різні товщини еквівалентних синфазних вібраторів. Залежність вхідного опору еліптичних рамкових випромінювачів від ексцентриситету рамки, що складається з однорідного провідника, при = 0 приведені на рис.6.

Встановлено, що в діапазоні зміни відносного периметру спостерігаються три резонанси: два паралельних (P/0.45 і P/1.45) та один послідовний (P/1.1). Область першого паралельного резонансу характеризується високою добротністю.

У області низькоомного послідовного резонансу, який має достатньо широку смугу частот, має місце режим осьового випромінювання, при цьому рівень активної частини вхідного опору в цієї області знаходиться у межах 80 Ом…110 Ом.

У розділі 4 наведені результати експериментального дослідження розроблених типів антен.

Для досліджень рамкових антен був застосований метод обертової антени лінійної поляризації, а для дослідження спіральних антен - як метод обертової антени лінійної поляризації, так і метод двох антен кругової поляризації.

Досліджувались характеристики випромінювання та вхідні характеристики сферо-циліндричної двохзахідної спіральної антени і навантажених рамкових антен - круглої, квадратної і еліптичної (з ексцентриситетом e = 0.75) форм.

На рис.7 приведені експериментальні ДС сферо-циліндричної антени в лінійному та круговому базисах.

Для двохзахідної сферо-циліндрної антени в частотному діапазоні 900 МГц…1000 МГц отримані наступні значення ширини ДС: у лінійному базисі ширина ДС по рівню -3дБ складала 160^о…180^о, у круговому базисі ширина ДС - 165^о…180^о. Нерівномірність ДС у площині XOZ при цьому не перевищувала 3 дБ.

Як випливає з рис.7, має місце добре узгодження результатів чисельних розрахунків з експериментальними даними, що підтверджує правильність обраної математичної моделі спіральної структури.

На рис.8. наведені залежності вхідного опру сферо-циліндричної антени в частотному диапазоні від 600МГц до 1200 МГц. Як слідує з рис.8, активна частина вхідного опору змінялася у межах 180 Ом…340 Ом, реактивна - у межах -100 Ом…+50 Ом.

Відсутність яскраво виражених резонансних залежностей підтверджує обрану модель струму у вігляді бігучої хвилі.

Експериментальні дослідження навантажених рамкових антен проводилися у частотному діапазоні 53.5 МГц…535 МГц, що відповідало діапазону зміни відносного периметру від 0.1 до 1.

Так, у діапазоні частот 53.5 МГц…428 МГц () діаграма спрямованості слабо залежить від частоти та має вигляд, близький до кардиоїди (см. рис.9). При наступному зростанні частоти ДС розширювалася і з'являвся провал ДС у напрямі , .

Виміри коефіцієнту підсилення (КП) у діапазоні частот приведені на рис.10,а. Як випливає з рис.10,а, з ростом частоти зростає КП і приймає максимальне значення при , при подальшому зростанні частоти КП зменшується, що обумовлюється появою провалу у ДС. Встановлено, що максимальний КП у діапазоні частот має кругла рамка.

Основна відмінність характеристик випромінювання рамкових антен різної геометрії полягає у рівні випромінювання у задньому напрямі (, ), що підтвердилось експериментальним виміром коефіцієнту захисної дії (см. рис.10,б).

Визначено, що кращою з точки зору КП є рамка круглої форми, з точки зору КЗД - рамка еліптичної форми, а з точки зору мінімальних габаритів - рамка квадратної форми. По сукупності перерахованих параметрів переважнішою є рамка круглої форми.

Результати експериментального дослідження вхідного опору навантажених рамкових антен приведені на рис.11.

Активна частина вхідного опору для усіх рамок складала 250 Ом…360 Ом, реактивна - 0…-45 Ом. При цьому отримано узгодження з коефіцієнтом стоячої хвилі (КСХ) у межах від 1.1…1.65 (рис. 11,б).

Таким чином, отримані експериментальні данні підтвердили правильність теоретичних припущень, що дає можливість оптимізувати геометричні параметри антен на основі розроблених інженерних методів.

У додатках приведені: програми розрахунку характеристик випромінювання двохзахідних спіральних антен і навантажених рамкових антен (Mathcad 7.0 Professional), представлені акти впроваджень результатів роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Розроблено метод синтезу сферо-циліндричних антен з метою отримання потрібної спрямованості з урахуванням поляризаційної структури поля, включаючи квазіізотропну.

Виведені формули для розрахунку характеристик випромінювання двохзахідних спіральних структур, розташованих на циліндричній, півсферичній і сферо-циліндричній поверхнях при збудженні їх у режимі бігучих хвиль. Встановлено, що квазіізотропну ДС з полем обертової поляризації можна отримати на основі маловиткових структур з числом витків, кратним 0.5 і розташованих на сферо-циліндричній поверхні. Отримані наступні значення ширини ДС по рівню - 3дБ:

у лінійному базисі у межах 160^о…180^о;

у круговому базисі у межах 165^о…185^о.

Отримані вирази для визначення поля випромінювання рамкового випромінювача еліптичної (круглої) та прямокутної форми з вмиканням комплексного навантаження. При цьому встановлено:

кардиоїдна форма ДН зберігається при відносним периметрі рамки ;

обмежуючи частотний діапазон рамкового випромінювача у високочастотній області збереженням спрямованих властивостей, а у низькочастотній області припустимим зменшенням КП, для практичних цілей можна рекомендувати значення ;

із зростанням ексцентриситету еліптичної рамки КП падає, а КЗД зростає. При цьому кругла рамка має максимальний КП, а еліптична - максимальний КЗД. По сукупності параметрів при рівних значеннях периметра переважнішою є рамка круглої форми.

зменшення рівня КЗД досягається вмиканням комплексного навантаження з та ємнісним характером реактивності, однак, при цьому зменшуються діапазонні властивості антени.

8. Отримані вирази для визначення хвильового опору круглої і квадратної рамок, що виконані з циліндричного провідника. Проведений аналіз хвильового опору круглої і квадратної рамок в залежності від співвідношення її геометричних параметрів.

9. Розроблена методика конструктивного синтезу рамкових випромінювачів довільною конфігурацією, що виконані у вигляді плоских провідників змінної ширини. Отримані епюри геометричних параметрів рамкових випромінювачів різних конфігурацій.

10. Проведено аналіз зміни вхідного опору еліптичних рамкових випромінювачів при . Встановлені резонансні частоти, смугові властивості і межі зміни вхідного опору в залежності від товщини провідників та ступеня стиску рамок (ексцентриситету еліпсу).

13. Проведені виміри і аналіз характеристик антен, що досліджувалися у зіставленні з результатами теоретичних досліджень, на основі яких для сферо-циліндричної спіральної антени встановлено:

антена формує двонаправлене випромінювання з незначним придушенням заднього пелюстка для компоненти поля випромінювання; ненаправлене випромінювання для компоненти поля випромінювання; однонаправлене випромінювання для кругових компонент і поля випромінювання з максимумами у головному осьовому напрямі компонента і зворотному осьовому напрямі компонента ;

- ширина амплітудних ДС по рівню половинної потужності кругової поляризаційної компоненти із зміною частоти залишається приблизно постійною. У лінійному базисі ширина ДС 160^о…180^о, у круговому базисі ширина ДС 165^о…180^о

- вхідний опір не має яскраво виражених резонансних залежностей, що підтвердило обрану модель струму у вигляді бігучої хвилі і дозволило за допомогою пристрою, що трансформує, отримати узгодження з живильним фідером з КСХ 1.8;

Для навантажених рамкових антен встановлено:

антенна формує кардиоїдну форму ДС і зберігає її у широкій смузі частот;

форма рамки в основному визначає значення КЗД і слабо впливає на КП і форму ДС;

кращі характеристики (менше значення КЗД; більше значення КП) у діапазоні частот мають рамки круглої форми;

вхідний опір навантажених рамкових випромінювачів незалежно від їх форми слабо змінюється з частотою, що дозволило за допомогою пристрою, що трансформує опір, отримати узгодження з живильним фідером з КСХ 1.65.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДІСЕРТАЦІЇ

Проценко М.Б., Громоздин В.В. Широкодиапазонная антенна с управляемой поляризацией излучения для измерительного комплекса // Вимiрювальна та обчислювальна технiка у технологiчних процесах. Міжнар. науково-техн. журнал. Хмельницький - 1999. - №3. - С.73-75.

Автором отримані основні аналітичні співвідношення. Створена програма для розрахунку характеристик спіральних випромінювачів.

Проценко М.Б., Посный О.А., Громоздин В.В., Анализ комплексных сопротивлений излучения криволинейных проводников эллиптической формы // Вестник СевГТУ. Вып. 26; Информатика, электроника, связь. Сб. науч. тр. / Севастоп. Гос. Тех. Ун-т. - Севастополь, 2000. -С.55-62.

Автором вироблений основний підхід до рішення задачі. Проведена інтерпретація отриманих результатів

Лобкова Л.М., Молчанов В.В., Громоздин В.В. Особенности формирования поля излучения спирали Архимеда, расположенной на сфере // Вестник СевГТУ. Информатика, электроника, связь. Выпуск 26. Севастополь, 2000 г. С.108-114.

Автором проведені експериментальні дослідження. Сформулювані висновки і виведення для практичного використання.

Посный О.А., Громоздин В.В., Толкачев А.В. Оптимизация геометрических параметров эллиптических рамочных излучателей // Вестник СевГТУ. Информатика, электроника, связь. Выпуск 31. Севастополь, 2001 г. С.73-77.

Автором сформульована задача оптимізації. Прийнята участь у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень.

Проценко М.Б., Громоздин В.В., Широкодиапазонная малогабаритная антенна с повышенной направленностью излучения // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-тех. сборник. Выпуск 125. Харьков, 2002 г. С.8-12.

Автором розроблена математична модель. Прийнята участь у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень.

Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Громоздин В.В., Бахтияров В.В. Поле излучения сферо-цилиндрической спиральной антенны // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-тех. сборник. Выпуск 127. Харьков, 2002 г. С.31-35.

Автором розроблені теоретичні принципи побудови сферо-циліндричної спіральної антени. Проведене теоретичне моделювання і експериментальні дослідження.

Проценко М.Б., Посный О.А., Громоздин В.В. Частотные свойства антенной решетки, состоящей из круглых рамочных излучателей // Вестник СевНТУ. Вып. 41: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр./ Севастоп. нац. тех. ун-т. - Севастополь, 2002.- С. 15-22.

Автором розроблена схема живлення. Проведені експериментальні дослідження. Сформульовані рекомендації до практичного використання отриманих результатів.

Патент України 38007А, МКИ H01Q11/08. Еліптична спіральна антена. Лобкова Л.М., Івашина М.В., Проценко М.Б., Молчанов В.В., Громоздін В.В., Головін В.В., Заявл. 15.05.2000. Опубл.15.05.2001. Бюл. №7, 2001р.-3с.

Автором проаналізована залежність коефіцієнту еліптичності поля від кількості витків.

Патент України 40804, МКИ H01Q7/00. Телевізійна антена. Лобкова Л.М., Посний О.О., Проценко М.Б., Громоздін В.В., Толкачов О.В., Заявл. 15.05.2000. Опубл. 15.08.2001. Бюл. №7, 2001 р.-4с.

Автором розроблена схема живлення антенної решітки. Проведені експериментальні дослідження.

Патент України 40217, МКИ H01Q7/00. Малогабаритна рамкова антена. Лобкова Л.М., Громоздін В.В., Проценко М.Б., Посний О.О., Васильєв О.М., Іванов Г.А., Заявл.17.10.2000. Опубл. 16.07.2001 р. Бюл. №6, 2001 р. -3с.

Автором виявлена залежність коефіцієнта захисної дії від реактивності навантаження.

Антипин Б.М., Громоздин В.В. Обнаружение источника непреднамеренных помех.// 51-я научно-техническая конференция. Тезисы докладов. С.-Пб. НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, 1996. С.10.

Автором розроблений алгоритм пошуку джерела перешкод при виникненні її по нелінійних каналах.

Громоздин В.В. Обнаружение сигналов в задаче поиска источников кратковременных помех.// 50-я научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Издание С.-Пб. ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, 1997 г. С.161-162.

Громоздин В.В. Измерительная антенна УКВ диапазона.// 51-я научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Издание С.-Пб. ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, 1998. С.121.

Алексеев С.М., Харченко И.П., Громоздин В.В., Крапивин А.С., Солонников В.А., Антипин Б.М., Загоскин В.В., Щепетков Н.П. Задачи и структура постов радиоконтроля. Пост радиоконтроля “ИРГА” // Мат. семинара сотрудников Гос. надзора за связью в Российской Федерации. 29 июня-3 июля 1998г. Издание С.-Пб. ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича. С.37-46.

Автором розроблені алгоритм і апаратура пошуку джерела радіоперешкод при нелінійному характері її утворення.

Громоздин В.В. Обнаружение источника непреднамеренных радиопомех.// 49-я научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - Издание С.-Пб. ГУТ им. Бонч-Бруевича, 1996. С.30.

Лобкова Л.М., Посный О.А., Громоздин В.В. Об одном методе синтеза малоэлементной решетки, состоящей из круглых рамок // Мат. 10-й Меж. Конф. КрыМиКо-2000, “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 10-15 сент. 2000. - Севастополь, Украина. - 2000. - С.304-305.

Автором проведений аналіз результатів чисельного розрахунку решіток, що складаються з рамкових випромінювачів.

Проценко М.Б., Таньков И.В., Громоздин В.В., Метод управления поляризацией поля излучения плоских спиральных антенн // Мат. 10-й Меж. Конф. КрыМиКо-2000, “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 10-15 сент. 2000. - Севастополь, Украина. - 2000. - С.308-309.

Автором вибраний метод теоретичного дослідження. Розроблений алгоритм програм розрахунку діаграм спрямованості.

Michail B. Protsenco, Ivan V. Tankov and Vbalentin V. Gromozdin. Analisis Method of the Input Impedance of Spiral Antenna with Given Configuration // Proc. of VIII-th Intern. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. - Kharkov, Ukraine. - 12-15 Sept. 2000. - Vol.1. - Р.274-276.

Автором отримані результати чисельного розрахунку еквівалентних параметрів спіральної антени і проведена їх фізична інтерпретація.

Проценко М.Б., Громоздин В.В. Широкодиапазонная малогабаритная антенна с кардиоидной диаграммой направленности // Мат. всероссийской научно-технической конф. “Излучение и рассеяние электромагнитных волн”. Таганрог, Россия. - 18-21 июня 2001. - С.122-124.

Автором проведене обґрунтування математичної моделі. Зроблені теоретичні та експериментальні дослідження рамкових випромінювачів.

Проценко М.Б., Громоздин В.В Малогабаритная антенная система амплитудного радиопеленгатора // Збірн. наук. праць. IX - між. науково-техн. конф. “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, 30травня-2червня 2002. Вип. №9 (2002) Том.2. - Хмельницький. - 2002.-С.83-86.

Автором сформульована ідея побудови антенної системи амплітудного пеленгатора на основі рамкових випромінювачів з навантаженням. Проведені експериментальні дослідження.

Resume

Gromozdin V.V. Small directivity antennas of meter and decimeter wave for radiomonitoring systems. - Manuscript.

Ph. D. Thesis by speciality 05.12.07 - Antennas and microwave devices - National technical university of Ukrainian “Kiev polytechnic institute”, Kyev,2003.

Mathematical models of radiation field have been developed for two-spiral antenna disposed on sphere-cylindrical surface and also for round, quadratic and elliptical loaded loop antenna. Their characteristics have been analyzed. The electromagnetic problems were solved by means of the vector potential.

185^o expanded quasi-isotropic directional diagram for spiral antenna disposed on sphere-cylindrical surface has been received in upper space. Radiation characteristic dependence from geometric form for loaded loop antennas have been determined

Designs of two-spiral antenna disposed on sphere-cylindrical surface and loaded loop antennas have been suggested for radio-ether common inspection and for searching of electrical interference source for radiomonitoring system.

Key words: a spiral radiator, loop radiator, mathematical model, vector potential, analysis, synthesis.

АНОТАЦІЯ

Громоздін В.В. - Слабоспрямовані антени метрового і дециметрового діапазонів хвиль для систем радіомоніторингу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки. -Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

Побудована математична модель і проведений аналіз характеристик поля випромінювання двохзахідної спіральної антени, розташованої на сферо-циліндричної поверхні, а також навантажених рамкових антен круглої, квадратної і еліптичної форм. Рішення електродинамічних задач здійснювалося із застосуванням методу векторного потенціалу.

Для спіральної антени отримана квазіізотропна діаграма спрямованості у верхньому півпросторі шириною до 185^о. Для навантажених рамок визначена залежність характеристик випромінювання від геометричної форми.

Запропоновані конструкції двохзахідної спіральної антени, розташованої на сферо-циліндричної поверхні і навантажених рамкових антен для загального контролю радіоефіру та пошуку джерел випромінювань у системах радіомоніторингу.

Ключові слова: спіральний випромінювач, рамковий випромінювач, математична модель, векторний потенціал, аналіз, синтез.

АННОТАЦИЯ

Громоздин В.В. - Слабонаправленные антенны метрового и дециметрового диапазонов волн для систем радиоконтроля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - Антенны и устройства микроволновой техники. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке антенн, предназначенных для решения двух основных задач контроля за радиоэфиром - контроля сигналов в верхнем полупространстве с заранее неизвестным видом поляризации сигнала и поиска источников излучения в ближней зоне. В работе построены математические модели и проведен анализ характеристик поля излучения двухзаходной спиральной антенны, расположенной на сферо-цилиндрической поверхности, а также нагруженных рамочных антенн круглой, квадратной и эллиптической формы. Решение электродинамических задач осуществлялось с применением векторного потенциала.

Проведены теоретические исследования поля излучения спиральных антенн, расположенных на цилиндрической и полусферической поверхностях. Исследования проводились в частотном диапазоне в зависимости от числа витков и угла их намотки. Установлено, что увеличение числа витков ведет к сужению ДН, а их уменьшение - к расширению, при этом, однако, поле сохраняет круговую поляризацию только при числе витков, кратном 0.5. При этом для спиралей на цилиндрической поверхности получена ширина ДН 130^о…140^о - для компоненты поля в круговом поляризационном базисе. Для спиралей, расположенных на полусферической поверхности получена ширина ДН 140^о. Показано, что дальнейшего расширения ДН можно получить композицией спиральных излучателей, расположенных на полусферической и цилиндрической поверхностях. Оптимальная геометрия при этом представлялась одним витком на цилиндрической поверхности и половиной витка на сферической поверхности. Для спиралей, расположенных на такой сферо-цилиндрическкой поверхности получена ширина ДН 160^о…180^о в линейном базисе и 165^о…185^о в круговом поляризационном базисе.

Разработана математическая модель рамочных излучателей с нагрузками круглой, квадратной и эллиптической формы. Выведены формулы для исследования входного сопротивления нагруженных рамочных антенн. Проведен анализ характеристик излучения таких антенн в частотном диапазоне, в результате которых установлено, что антенна формирует однонаправленное излучение с ДН близкой к кардиоиде при ее относительном периметре , при превышении этого значения начинает происходить развал ДН. Усиление антенн растет с ростом частоты и максимально при , при этом большим усилением обладает рамка круглой формы, как имеющая наибольшую площадь при одинаковом периметре. Геометрическая форма антенн определяет уровень излучения в заднем направлении, что характеризуется параметром КЗД. Большим КЗД (-17 дБ…-28 дБ) обладает эллиптическая рамка, причем с уменьшением эксцентриситета КЗД растет, что, однако, ведет к уменьшению площади антенны и, следовательно, к уменьшению КУ. Таким образом, по совокупности параметров для практических применений рекомендуется рамка круглой формы.

Проведено исследование влияния реактивной составляющей сопротивления нагрузки при значении на характеристики излучения. Показана возможность существенного уменьшения уровня КЗД в узкой полосе частот, при одновременном снижении КЗД и КУ на других частотах. Таким образом, при использовании антенны в узкой полосе частот, КЗД можно оптимизировать подбором комплексной нагрузки.

Получены формулы для расчета волнового сопротивления рамки. Проведен конструктивный синтез формы проводников рамки с целью получения постоянства волнового сопротивления вдоль антенны и равенства его нагрузочному сопротивлению. Модель антенны в виде длинной линии с потерями позволяет определить входное сопротивление, которое при этом равно волновому. В случае отличия нагрузочного сопротивления от волнового входное сопротивление имеет резонансный характер. Проведен анализ изменения входного сопротивления эллиптических рамочных излучателей при . Установлены резонансные частоты, полосовые свойства. Показаны пределы изменения входного сопротивления в зависимости от толщины проводников и степени сжатия рамок (эксцентриситета). Таким образом, при сопротивлении нагрузки, отличном от волнового сопротивления, согласование можно получать в узкой полосе частот изменением геометрии рамки.

Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанных математических моделей.

Предложены конструкции двухзаходной спиральной антенны, расположенной на сферо-цилиндрической поверхности и рамочных антенн с нагрузками для применения в системах радиоконтроля с целью общего контроля радиоэфира в верхнем полупространстве и для целей поиска источников излучений в ближней зоне.

Ключевые слова: спиральный излучатель, рамочный излучатель, математическая модель, векторный потенциал, анализ, синтез.

Підписано до друку 05.03.2003р. Формат 60x84/16.

Папір офсетний. Гарнітура Таймс. Умовн. друк. аркуш. 1,0

Друкарня ПП ”Стрижак”

99053, м. Севастополь, вул. Репіна,21

Тираж 100 прим.

Размещено на Allbest.ru