Розвиток методів проектування реконфігурованих антен

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Останнім часом у радіоелектронних системах функціонує велика кількість антенних систем. Реконфігуровані антени є найбільш перспективними для систем бездротового зв'язку, особливо для 3G та 4G систем. Існує багато бездротових сервісів, що працюють у широкому частотному діапазоні та потребують різних робочих електричних характеристик, наприклад, WLAN, Bluetooth, WiMAX, автомобільні радари та ін. Оскільки кількість бездротових сервісів зростає, доступний спектр радіочастот зменшується. На практиці недоцільно для кожного сервісу використовувати свою антену, бо деякі з них використовуються на певному проміжку часу, у той час як інші вимагають постійного функціонування. У більшості випадків ці сервіси вимагають автоматичного перемикання між цими різними режимами, діапазонами частот, видами поляризації і т.д. Наявність великої кількості стандартів означає необхідність більшої кількості антен. З метою зменшення розмірів і вартості антенної системи, а також для поліпшення її робочих характеристик бажано поєднати декілька функцій в одній антені. Для одержання мультифункціональних можливостей потрібна антена, яка буде швидко реконфігуруватися відповідно до поставлених вимог.

Застосування реконфігурованих антен надає можливість істотного збільшення ємності мережі зв'язку, зниження міжканальної інтерференції через зменшення випромінюваної потужності, поліпшення проходження сигналів у каналах із завмираннями. У результаті, при розробці нових стандартів зв'язку (наприклад, IEEE 802.16-2004) передбачається наявність вбудованих засобів підтримки таких антен. У найближчому майбутньому різні мобільні пристрої повинні будуть забезпечувати підтримку шести або більше технологій, таких як Wi-Fi у різних варіаціях, WiMAX, 3G, UWB, Bluetooth, DVB й GPS. Це може бути реалізовано застосуванням реконфігурованих антен, можливості яких дозволять мобільним пристроям працювати із численними протоколами бездротової передачі даних. У випадку адаптивних антенних решіток характеристики їх елементів можуть відрізнятися за рахунок різного впливу поверхні об'єкта на різні антенні елементи. Одним з можливих способів усунення даного ефекту є застосування реконфігурованих антен в якості елементів адаптивних антенних решіток.

Реконфігурація антени може бути досягнута шляхом навмисного перерозподілу струмів на апертурі антени. Ці зміни відбуваються за рахунок застосування різних механізмів, таких як перемикання окремих частин випромінюючої системи, модифікація структури та ін. Багато рішень в області реконфігурованих антен були описані в літературі, і їх практична реалізація була успішно використана в телекомунікаційних системах. Вимоги до бездротових систем постійно розширюються. Тому можна чекати нової специфікації реконфігурованих антен, наприклад, багаточастотних зі змінюваною шириною смуги пропускання, поляризацією й характеристиками випромінювання. Таким чином, технологія реконфігурованих антен дозволяє реалізувати додаткові можливості поліпшення робочих характеристик систем зв'язку.

Розроблені до теперішнього часу моделі реконфігурованих антен здебільшого являють собою лінійні моделі, що не враховують нелінійні властивості перемикаючих елементів, які впливають на функціонування сучасних засобів зв'язку. Невирішеною дотепер є і задача оптимального вибору геометрії випромінюючої системи реконфігурованих антен з метою визначення кількості та місця розташування керуючих елементів. Все це призводить до необхідності проведення наукових досліджень із метою подальшого розвитку методів проектування реконфігурованих антен.

Таким чином, тема дисертаційного дослідження, спрямованого на розроблення ефективної математичної моделі реконфігурованих антен з врахуванням нелінійних властивостей керуючих елементів і дослідження її властивостей і можливостей є актуальною. Актуальною є також задача створення методів, алгоритмів та програмних продуктів, спрямованих на оптимальне проектування випромінюючої системи антен такого типу.

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є підвищення ефективності і якості математичних засобів проектування реконфігурованих антен на основі комплексного підходу до розв'язання задач схемотехніки та крайових задач, спрямованого на створення нових, універсальних та економічних методів і моделей, що забезпечують моделювання та оптимізацію реконфігурованих антен з врахуванням чинників, які впливають на функціонування сучасних засобів зв'язку.

Відповідно до поставленої мети в дисертації сформульовано та вирішено наступні задачі:

1. Проаналізовано існуючі рішення в області реконфігурованих антен, запропоновано принципи класифікації й відповідно до них зроблено класифікацію існуючих антен такого типу.

2. Розроблена математична модель реконфігурованих антен з урахуванням нелінійних властивостей керуючих елементів, відповідно до цієї математичної моделі одержано вирази, що описують характеристики конкретних типів антен.

3. Вперше сформульовано задачу та отримані критерії оптимального вибору структури випромінюючої системи реконфігурованих антен та місця включення перемикаючих елементів. Показано, що традиційні методи структурного синтезу тонкопроводових випромінювачів є лише окремим випадком поставленої задачі. Обґрунтовано використання еволюційних методів для її вирішення.

4. Для тонкопроводових випромінюючих систем реконфігурованих антен реалізовано алгоритм та програмний засіб, що забезпечують оптимальний вибір конфігурації структури та місця включення перемикаючих елементів.

5. Розроблені модель та методи використано для дослідження конкретних типів антен, оцінки їхніх характеристик після оптимізації, визначення можливостей їхнього використання при розробці сучасних радіотехнічних систем.

Об'єкт дослідження - процес випромінювання та прийому електромагнітних хвиль структурами зі змінюваною конфігурацією.

Предмет дослідження - моделі реконфігурованих антен, що забезпечують прийнятну для практики точність проектування.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач було використано математичний апарат електродинаміки, загальної теорії антен і теорії антен з нелінійними елементами, теорії НВЧ-кіл, а також методи чисельного аналізу й математичного моделювання, аналітичні й імітаційні методи дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше на основі загальної моделі антени з нелінійними елементами запропоновано математичну модель реконфігурованих антен з урахуванням нелінійних властивостей керуючих елементів, що дозволяє проводити моделювання антен такого типу та отримати більш докладні результати.

2. Вперше сформульована, поставлена й вирішена задача оптимального вибору конфігурації випромінюючої системи реконфігурованих антен з одночасним визначенням кількості та місця розташування керуючих елементів. Вона зведена до задачі багатокритеріальної дискретної оптимізації.

3. Запропоновано нову, спеціалізовану до задач структурного синтезу, матричну модель випромінюючої системи реконфігурованих антен, що базується на методі інтегральних рівнянь та враховує наявність керуючих елементів у випромінюючій системі.

4. Вперше для опису конфігурації тонкопроводових випромінюючих структур введено «матрицю конфігурації». Елементи цієї матриці є бінарними числами, які дозволяють однозначно і повністю описати випромінюючу систему практично довільної конфігурації. З використанням розробленої матричної моделі сформульовані критерії якості реконфігурованих антен, що залежать від зміни геометрії випромінюючої системи, місця розташування та кількості керуючих елементів.

5. Реалізовано ефективний алгоритм та програмний продукт вирішення задачі з використанням бінарного генетичного алгоритму.

1. Огляд сучасного стану теорії та техніки реконфігурованих антен та елементів, що входять до їхнього складу

В подальшому реконфігурованою антеною (РА) будемо вважати пристрій, до складу якого входять випромінююча структура та зосереджені елементи з керованими характеристиками, наявність яких дозволяє змінювати розподіл струму у випромінюючій системі (ВС) і, як результат, характеристики антени (вхідний імпеданс, характеристику спрямованості, робочу смугу частот і т.д.). На підставі аналітичного огляду літературних джерел запропоновано класифікацію реконфігурованих антен за впливом зміни електричної конфігурації випромінюючої системи на параметри антени, за типом керуючих елементів, а також за типом керування (рис. 1). Наведено приклади антен відповідно до цієї класифікації. Розглянуто самоструктуровані антени, що поєднують у своєму складі реконфігуровані антени та систему керування. Вони мають специфічні властивості, які можуть бути використані для рішення різноманітних прикладних задач. Надано короткий огляд керуючих елементів реконфігурованих антен механічного й електричного типів. Наведено моделі MEMS-перемикачів і співвідношення для розрахунку їх основних параметрів.

Зроблено висновок, що реконфігуровані антени на цей час є перспективними, однак, поряд зі значними успіхами в вивченні й розробленні таких антен, залишається низка невирішених питань, що не дозволяє в повній мірі розкрити їхні можливості. До них, зокрема, належать:

1) Відсутність математичної моделі, що враховує реальні властивості керуючих елементів, які в загальному випадку є нелінійними, що впливає на характеристики всієї системи. Загальна математична модель антени з нелінійними елементами є досить складною, і, внаслідок цього, недостатньо ефективною для моделювання РА, функціонуючих в реальному електромагнітному оточенні. Вона потребує доробки, метою якої є збільшення ефективності даної моделі.

2) Відсутність процедури оптимального вибору конфігурації випромінюючої системи та місця включення перемикаючих елементів. Розв'язання цієї задачі може бути здійснене на основі методик, запропонованих для оптимізації тонкопроводових антен з використанням генетичних алгоритмів. Питання розробки подібної процедури для проектування реконфігурованих антен є одним із ключових для подальших досліджень.

2. Розробка математичної моделі реконфігурованих антен з урахуванням нелінійних властивостей керуючих елементів

Запропонована нелінійна модель реконфігурованих антен, яка дозволяє аналізувати характеристики таких антен з урахуванням виникаючих у них нелінійних ефектів, ґрунтується на моделі антен з нелінійними елементами (АНЕ). Показано, що урахування специфіки РА, зокрема, безпосереднього включення перемикаючих елементів у випромінюючу структуру, призводить до більш простих моделей компонентів антенного елемента й, як результат, до більш простої моделі РА в порівнянні із загальною моделлю АНЕ. Отримані рівняння стану РА, які дозволяють визначити її нелінійний режим, співвідношення для визначення параметрів багатополюсників, що входять до її схеми, а також вихідні рівняння РА, тобто співвідношення для обчислення її параметрів і характеристик.

Для аналізу нелінійних ефектів в антенах необхідно застосовувати комплексний підхід, що враховує особливості схеми антени, параметри всіх її лінійних і нелінійних елементів, умови збудження. Інакше кажучи, антена повинна моделюватися як єдиний пристрій з нелінійними характеристиками. Метою аналізу є визначення спектрального складу відгуку досліджуваного пристрою залежно від характеру й рівня зовнішнього впливу, що характеризується вектором вхідних впливів, компоненти якого в загальному випадку описують збудження антени як електромагнітним полем з боку зовнішнього простору, так і іншими джерелами (зовнішніми генераторами). Відгук антени характеризують вектором вихідних параметрів, компонентами якого є величини, що описують зв'язок антени із простором і зовнішніми пристроями (приймачами, генераторами).

Узагальнена схема розглянутої приймальної РА (рис. 2) враховує властивості нелінійних елементів, якими в цьому випадку є перемикаючі елементи. У ній присутні нелінійна й лінійна підсхеми. В нелінійній підсхемі об'єднані елементи, що характеризують нелінійні властивості керуючих елементів. Лінійна підсхема представлена у вигляді з'єднання двох блоків. Перший блок _ випромінююча система. У другому блоці об'єднані лінійні елементи еквівалентних схем перемикаючих елементів і лінійні погоджуючі елементи кіл, що входять до складу РА. На схемі також показаний третій лінійний блок, що являє собою навантаження РА. Нелінійній підсхемі та лінійним блокам поставлені у відповідність багатополюсники: нелінійній підсхемі - нелінійний багатополюсник НБ, а випромінюючій системі, блоку лінійних елементів РА й навантаженню - лінійні багатополюсники ЛБ-1, ЛБ-2 і ЛБ-3, відповідно. Кількість входів ЛБ-3 залежить від числа ліній, що з'єднують виходи РА із ЛБ-3. В подальшому розглянуто випадок, коли ЛБ-3 має один вхід. Він описується коефіцієнтом відбиття , що зв'язує комплексні амплітуди падаючих і відбитих хвиль на його входах на частоті . Зовнішні параметри НБ (вектор напруг ) та вектор струмів ) зв'язані між собою системою компонентних рівнянь, які описують зв'язок між ними в момент часу t і мають вигляд:

, (1)

де - відображення, що характеризує нелінійні властивості перемикаючих елементів.

Вихідними для знаходження параметрів математичної моделі повинні бути характеристики ВС, які повністю її описують і які можна або обчислити теоретично (шляхом рішення відповідної крайової задачі для досліджуваної системи), або визначити експериментально. В якості них обрані наступні характеристики:

а) матриця нормованих власних і взаємних опорів, що зв'язує між собою вектори нормованих струмів і напруг на входах ВС.

; (2)

б) система парціальних характеристик спрямованості відносно всіх входів у перерізі .

У якості однієї групи входів багатополюсника (переріз ) розглядаються конкретні перерізи ліній передачі, що з'єднують випромінювач із багатополюсниками ЛБ-2 і ЛБ-3. У якості незалежних змінних, що характеризують електричний режим на цих входах багатополюсника, обрані вектори комплексних амплітуд нормованих падаючих і відбитих в цих перерізах. Параметри матричної моделі випромінюючої системи, тобто елементи матриці розсіювання й ортонормовані функції спрямованості були визначені через вихідні дані про випромінюючу систему (матрицю нормованих власних і взаємних опорів і парціальні характеристики спрямованості ).

Вираз, що зв'язує напруги й струми в перерізі (на входах всієї лінійної підсхеми), можна представити як:

, (3)

де - матриця власних і взаємних опорів лінійної підсхеми в перерізах ; , де - вектор приведених до цих перерізів джерел ЭРС.

Розглянуто тільки періодичний або майже-періодичний сталий режим, коли антена з боку зовнішнього простору збуджується декількома сигналами з різними (у загальному випадку некратними) частотами (, - загальне число різних частот зовнішніх сигналів). Для цього випадку одержано рівняння стану відносно вектора у вигляді:

, (4)

де - діагональна матриця розмірністю М, елементами якої є числа ; - хвильовий опір лінії передачі, що підключена до p-го входу НБ; ; ; . - комбінаційні складові частот сигналів зовнішніх впливів.

Внаслідок того, що в складі антени присутні нелінійні елементи, у відгуку РА містяться нові спектральні складові, що були відсутні у вхідному впливі. Це потребує опису РА більшим числом параметрів, ніж традиційні антени, які є лінійними пристроями. Для визначення параметрів РА отримана система вихідних рівнянь, що описує реакцію РА в перерізах (з'єднання ЛБ-1 з ЛБ-3) і (зв'язок ЛБ-1 з вільним простором) на задані вхідні впливи:

, (5)

де і - вектори які характеризують зв'язок антени з навантаженням (вектор ) і вільним простором (вектор ); - вектор збудження; - вектор змінних стану, знайдений з рішення системи рівнянь (4); - частоти, на яких потрібно визначити параметри РА; - частоти вхідних впливів.

Далі, з використанням й , отримані співвідношення для обчислення конкретних параметрів РА (характеристика спрямованості, коефіцієнт спрямованої дії, коефіцієнт корисної дії, вхідний опір).

3. Дослідження конкретних типів реконфігурованих антен

Розглянута двочастотна реконфігурована антена з фрактальною випромінюючою системою, в якій одна з робочих частот фіксована, а друга може змінюватися в досить широких межах. Такі антени знаходять застосування у системах радіотермометрії біологічних об'єктів. Спочатку були проаналізовані властивості симетричного плаского випромінювача типу «метелик», а потім здійснено перехід до фрактальної структури на основі модифікованого килима Серпінського першого покоління за допомогою утворюючого елемента, що виключає із провідників випромінювача центральні трикутники (рис. 3). На цьому рисунку показані також перемикачі, призначені для реконфігурації випромінювача. Вивчено вплив форми утворюючих елементів і кута розкриття випромінювача на частотні характеристики й спрямовані властивості такої структури, досліджений вплив стану перемикачів на характеристики випромінювача. Також був проаналізований вплив форми й розмірів утворюючих елементів на частотні характеристики випромінювача на основі модифікованого килима Серпінського другого покоління.

Показано, що перехід до фрактальної структури на основі модифікованого килима Серпінського першого покоління призводить до появи більш явно вираженого другого резонансу, причому перша резонансна частота залишається практично незмінною (рис. 4). Друга резонансна частота визначається периметром вирізу - чим більше периметр вирізу, тим нижче друга резонансна частота. При цьому, чим більше кут розкриття, тим у більшому діапазоні можна змінювати частоту другого резонансу за рахунок зміни периметра вирізу. Дослідження структури на основі модифікованого килима Серпінського, у якій були реалізовані різні варіанти включення елементів випромінювача даного типу, показали, що така структура також має два резонанси, причому частота другого резонансу значно нижча в порівнянні з випромінювачем з замкнутими перемикачами (рис.5). Розмикання перемикачів зближає резонансні частоти, збільшуючи тим самим крутизну частотної залежності реактивної частини вхідного опору, що зменшує широкосмуговість. Результати розрахунків показали також, що КНД випромінювачів залишається практично незмінним в широкому діапазоні значень коефіцієнтів фрактальності й кутів розкриття. Показано, що при переході до фрактальної структури на основі модифікованого килима Серпінського другого покоління додаткові утворюючі елементи не впливають на частоти перших двох резонансів. Однак, з'являється третій резонанс, частота якого визначається периметром вирізу (рис. 6). Даний результат підтверджує одну з найважливіших властивостей випромінювача на основі килима Серпінського - даний тип випромінювача є багатосмуговим, причому кількість смуг прямо залежить від кількості виконаних ітерацій при формуванні килима Серпінського. Значення резонансних частот залежать від положення перемикачів, що з'єднують різні ділянки випромінювача. Внаслідок цього застосування фрактальних випромінювачів у вигляді килима Серпінського представляється досить перспективним в якості випромінюючих структур реконфігурованих антен, зокрема, антен-аплікаторів.

Далі в роботі наведені результати дослідження двочастотної мікросмужкової реконфігурованої антени, показаної на рис. 7. Досліджено вплив положення перемикачів на частотні залежності модуля коефіцієнта відбиття від входу й спрямовані властивості антени без урахування нелінійних властивостей керуючих елементів. Визначено положення перемикачів і робочі діапазони антени з метою використання її в сучасних засобах зв'язку. Зважаючи на те, що звичайно такі РА інтегруються на загальній підложці із приймачем (передавачем), було проведено моделювання збудження РА як за допомогою коаксіального з'єднувача, так і за допомогою несиметричної мікросмужкової лінії. Отримані залежності несуттєво відрізняються одна від одної, внаслідок чого можна зробити висновок про можливість створення на базі такої антени інтегрованих активних антен. Було визначено, що, наприклад, гарне узгодження ( дБ) в діапазоні 2,5-2,7 ГГц забезпечується при трьох конфігураціях антени, при цьому діаграми спрямованості дуже схожі, і частоти з найкращим узгодженням відрізняються лише на 30 МГц (2,51 ГГц у першому й другому випадках, 2,54 ГГц у третьому випадку).

При розміщенні антени на кришці ноутбука (рис.8) продемонстровано вплив місця розміщення на характеристики спрямованості й розроблені рекомендації відносно найкращих позицій розміщення антени. Дослідження показали, що в цьому випадку частоти, на яких досягається найкраще узгодження, при різних конфігураціях змінюються на 50-300 Мгц. При цьому погіршується узгодження, а також в одній з конфігурацій з'являється нова резонансна частота. Діаграми спрямованості антен мають порізані краї, однак помітно збільшення коефіцієнта підсилення. Всі ці зміни обумовлені впливом реального об'єкта, на якому розміщена РА. Тому при наявності порізаних діаграм спрямованості перемикання між конфігураціями в процесі реальної роботи антени дозволить забезпечити необхідну ефективність при зміні навколишнього середовища. Найкращими позиціями для розміщення антени на ноутбуці визначено позиції 4 і 2. При такому розміщенні антени спостерігаються найменш порізані краї діаграм спрямованості. Ці позиції перебувають ближче до країв, ніж позиції 1 та 3, тому можна припустити, що при розміщенні антени у верхніх кутах кришки ноутбука також будуть досягнуті гарні результати, тобто для одержання найкращих характеристик антену на кришці ноутбука варто розміщати ближче до верхнього краю.

Розглянуто також нелінійні властивості двочастотної РА. При цьому вважалось, що нелінійні характеристики перемикаючих елементів можуть бути описані залежністю:

(6)

Залежність описана поліномом. Для визначення коефіцієнтів поліному була вирішена задача ідентифікації, яка полягала в моделюванні узгодженої мікросмужкової лінії з включеним в її переріз нелінійним елементом з вольт-амперною характеристикою (6). Лінія з хвильовим опором 50 Ом збуджувалась двома монохроматичними сигналами з частотами та та однаковими амплітудами. На виході лінії контролювався рівень потужності сигналу з частотою (або ) та рівень потужності інтермодуляційної складової третього порядку з частотою . В результаті моделювання була визначена така величина , при якій рівень інтермодуляційної складової співпадав з відомими з літератури результатами експериментальних вимірювань і це значення було використане для моделювання нелінійних ефектів в РА. Результати моделювання показали, що рівень інтермодуляційної складової третього порядку (ІМ3) для розглянутого варіанту антени становить (-100…-115) дБм, при потужності вхідного сигналу -20 дБм. При цьому рівень ІМ3 в значній мірі залежить від робочого діапазону частот антени та стану перемикаючих елементів. Так при збудженні антени на частотах ГГц та ГГц рівень ІМ3 становив -110 дБм, коли обидва перемикачі були замкнуті, і -115 дБм - коли розімкнутий перемикач 1 та замкнутий перемикач 2. При роботі антени в більш високочастотному діапазоні ( ГГц) рівень ІМ3 збільшився на 8…12 дБ.

4. Метод, алгоритм та програмний засіб оптимізації структури випромінюючої системи тонкопроводових реконфігурованих антен і місця включення керуючих елементів

В результаті аналізу відомих формулювань задач структурного синтезу тонкопроводових випромінювачів показано, що вони непридатні для вирішення задачі оптимального вибору структури випромінюючої системи реконфігурованих антен. В зв'язку з цим сформульована математична постановка задачі структурного синтезу геометрії випромінюючої системи РА, визначення місця включення та кількості перемикаючих елементів. Наведені вирази для критеріїв якості РА. Показано, що традиційні методи структурного синтезу тонкопроводових випромінювачів є лише окремим випадком поставленої задачі. Окрім того відмічено, що існуючі на цей час алгоритми та програми моделювання таких випромінювачів орієнтовані переважно на вирішення задач аналізу і є неефективними для задач синтезу.

Розроблено нову матричну математичну модель тонкопроводових випромінювачів, яка враховує специфіку задач структурного синтезу, тобто дозволяє проводити аналіз тонкопроводових випромінюючих систем змінюємої конфігурації з врахуванням наявних в їх структурі керуючих елементів, а також елементів з зосередженими параметрами. Розроблена модель базується на методі інтегральних рівнянь, які з використанням методу Гальоркіна та системи базисних синусоїдальних функцій підобластей зведені до системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Розглянуто питання підвищення ефективності алгоритму обчислення розподілу струму вздовж провідників випромінюючої системи. Для опису геометрії випромінюючої системи, який потрібен при вирішенні задач структурного синтезу, введено поняття «матриці конфігурації» , яка являє собою діагональну матрицю з бінарними елементами. В результаті отримано систему матричних рівнянь, яка є системою рівнянь стану РА, у вигляді:

, (7)

де - матриці власних та взаємних опорів базисних функцій струмів; - власний опір базисної функції, що відповідає точці живлення; ; , , - діагональні матриці, елементами яких є опори включених в структуру випромінювача зосереджених елементів і перемикаючих елементів в закритому та відкритому станах, відповідно; - вектор коефіцієнтів апроксимації розподілу струму; - струм випромінювача в точці живлення; - величини, що характеризують збудження випромінювача пласкою хвилею з боку вільного простору. Довільний i-й елемент матриці конфігурації _ якщо перемикач в відкритому стані, і _ якщо в закритому.

З використанням рівнянь стану в роботі отримані співвідношення для розрахунку основних параметрів РА

- вхідного опору:

, (8)

- векторної комплексної діаграми спрямованості:

(9)

та інших (коефіцієнта спрямованості, коефіцієнта підсилення і т.д.). У (9) - вектор, елементами якого є діаграми спрямованості базисних функцій струмів; - діаграма спрямованості базисної функції, що відповідає точці живлення.

Видно, що вхідний опір, діаграма спрямованості і, як результат, всі інші основні параметри РА залежать від елементів матриці реконфігурації , тобто від геометрії випромінюючої системи та стану перемикаючих елементів. Наведені співвідношення для розрахунку основних параметрів використані при формуванні критеріїв якості РА, які, в свою чергу, також залежать від елементів матриці . Таким чином, задача структурного синтезу випромінюючої системи РА полягає в пошуку таких значень елементів , при яких досягається екстремум того чи іншого критерію, або заданої цільової функції - при багатокритеріальному синтезі. Враховуючи, що елементи матриці конфігурації можуть примати тільки два значення - 0 або 1, в роботі для визначення екстремумів критеріїв якості запропоновано використати бінарний генетичний алгоритм. Була виконана програмна реалізація цього алгоритму і його тестування на низці рекомендованих в літературі тестових прикладів. Результати тестування дозволили підтвердити достовірність отриманих результатів та визначити необхідні для синтезу параметри алгоритму.

Все це дало можливість реалізувати для тонкопроводових випромінюючих систем реконфігурованих антен алгоритм та програмний засіб, що забезпечують оптимізацію геометрії випромінюючої структури і визначення числа та місця включення перемикаючих елементів. Реалізація програмного засобу проведена з використанням середовища PGI Visual Fortran-90. Відмічено, що розроблений комплект програм можливо також застосувати для структурного синтезу широкого класу традиційних тонкопроводових антен.

Ці випромінювачі мають від одного до трьох перемикачів, координати розміщення яких приведені на рисунку (координати нормовано помноженням на хвильовий коефіцієнт ). Реалізовані значення вхідного опору наведені в таблиці 1. Як видно з таблиці, при замкнутих перемикачах вхідний опір випромінювачів близький до заданого на частоті , а при розімкнутих - на частоті .

Висновки

реконфігурований антена випромінюючий тонкопроводовий

В результаті дисертаційних досліджень вирішено актуальну науково-прикладну задачу подальшого розвитку методів проектування реконфігурованих антен, яка полягає в розробленні ефективної математичної моделі реконфігурованих антен з урахуванням нелінійних властивостей керуючих елементів, а також методу, алгоритму та пакету програм структурного синтезу таких антен.

Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, полягають у наступному.

1. Показано, що відомі на цей час моделі реконфігурованих антен являють собою лінійні моделі, що не дозволяє проводити всебічний аналіз таких антен в реальних умовах функціонування. Існуюча узагальнена модель антен з нелінійними елементами (АНЕ) є занадто складною, що знижує ефективність моделювання окремого класу антен, яким є реконфігуровані антени.

2. Отримана більш проста нелінійна математична модель реконфігурованих антен, що базується на спрощеній схемі антен з нелінійними елементами, яка враховує специфічні властивості схеми РА та властивості перемикаючих елементів. За рахунок цього розроблена модель є більш ефективною, ніж узагальнена модель АНЕ. Для запропонованої моделі визначено співвідношення для розрахунку параметрів багатополюсників, що входять у її схему, отримані рівняння стану, які дозволяють визначити її нелінійний режим, а також вихідні рівняння. Одержано вихідні рівняння, використовуючи які можна визначити характеристику спрямованості, коефіцієнт спрямованої дії, коефіцієнт корисної дії для реконфігурованих антен конкретних типів. Проведена програмна реалізація розробленої моделі.

3. Створена модель застосована для дослідження конкретних типів реконфігурованих антен.

Зокрема, досліджена двочастотна реконфігурована антена з випромінюючою системою у вигляді килима Серпінського при різних значеннях коефіцієнтів фрактальності й кутів розкриття. Показано, що за рахунок реконфігурації антени, яка здійснюється керуванням станом перемикачів, з'єднуючих різні ділянки випромінювача, є можливість змінювати значення робочих частот вищих діапазонів в доволі широких межах. При цьому діаграма спрямованості випромінювачів залишається практично незмінною в широкому діапазоні значень коефіцієнтів фрактальності й кутів розкриття. Зроблено висновок що застосування таких реконфігурованих антен може бути досить перспективним в якості антен-аплікаторів систем радіотермографії.

Розглянута також двочастотна мікросмужкова реконфігурована антена. Досліджено вплив положення перемикачів на частотні залежності модуля коефіцієнта відбиття від входу й спрямовані властивості антени. Визначено положення перемикачів і робочі діапазони антени з метою використання її в складі безпроводових комп'ютерних мереж. На прикладі установки антени на ноутбуці надані рекомендації стосовно місця її розташування. Досліджено також нелінійні властивості цієї РА. Показано, що рівень інтермодуляційної складової третього порядку в значній мірі залежить від робочого діапазону частот антени та стану перемикаючих елементів і становить (-100…-115) дБм при потужності вхідного сигналу -20 дБм.

4. Вперше сформульовано задачу оптимального вибору структури випромінюючої системи реконфігурованих антен, числа та місця включення перемикаючих елементів, яку можна віднести до задач структурного синтезу РА. Наведені вирази для критеріїв якості РА. Показано, що традиційні методи структурного синтезу тонкопроводових випромінювачів є лише окремим випадком поставленої задачі. З метою розробки ефективного алгоритму структурного синтезу розроблено нову матричну математичну модель тонкопроводових випромінювачів, яка базується на методі інтегральних рівнянь і враховує специфіку задач синтезу, тобто дозволяє проводити аналіз випромінюючих систем змінюємої конфігурації з врахуванням наявних в їх структурі керуючих елементів, а також елементів з зосередженими параметрами. Для опису геометрії випромінюючої системи введено поняття «матриці конфігурації», яка являє собою діагональну матрицю з бінарними елементами. Це дало можливість використати еволюційні алгоритми для пошуку оптимальних рішень, зокрема - бінарний генетичний алгоритм.

5. Основну увагу при одержанні результатів, що являють собою практичну цінність, було приділено розробленню комплекту прикладних програм для оптимального вибору структури тонкопроводової випромінюючої системи реконфігурованих антен та місця включення перемикаючих елементів. Запропоновано способи підвищення ефективності алгоритму за рахунок більш раціонального обчислення елементів матриці узагальнених імпедансів випромінюючої системи та за рахунок розробленого швидкодіючого алгоритму обернення цієї матриці. Вірогідність результатів розрахунків окремих програмних модулів оцінювалась шляхом порівняння з відомими теоретичними або експериментальними результатами інших авторів, а також вирішенням тестових задач. З використанням розробленого пакету програм була синтезована двочастотна, неспрямована в горизонтальній площині реконфігурована антена. Результати вирішення цієї задачі підтвердили ефективність розробленого програмного продукту та достовірність отримуваних за його допомогою результатів.

6. Результати дисертаційної роботи впроваджено в науково-дослідній роботі, а також використовуються в навчальному процесі, що засвідчується відповідними актами про впровадження.

Таким чином, можна зробити висновок, що мета розвитку методів проектування реконфігурованих антен і всі поставлені задачі цілком вирішені.

Література

1. Сидоров Я.Г. Современное состояние техники реконфигурируемых антенн / Я.Г Сидоров, А.И. Лучанинов // Прикладная радиоэлектроника. - 2008. - Том 7, №1. - С. 2-10.

2. Сидоров Я.Г. Математическая модель реконфигурируемых антенн с учетом нелинейных свойств управляющих элементов / Я.Г. Сидоров // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. - 2008. - Вып. 155. - С. 274-281.

3. Сидоров Я.Г. Анализ фрактального излучателя реконфигурируемой антенны-аппликатора / Я.Г Сидоров, С.Н. Сакало, Н.А. Шевелев // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2009. - Вып. 157. - С. 98 - 103.

4. Сидоров Я.Г. Нелинейные свойства реконфигурируемых антенн. Часть 1: Моделирование реконфигурируемой двухчастотной антенны / Я.Г. Сидоров, Д.С. Гавва // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № 3/3(39). - С. 52-56.

5. Сидоров Я.Г. Анализ вибраторных излучателей с нелинейным поверхностным импедансом / Я.Г. Сидоров // Радіоелектроніка і молодь XXI ст.: 4-й міжнар. молодіжний форум, 11 - 13 квітня 2000 р.: зб. матеріалів форуму. - Х., 2000. - С. 4-5.

6. Сидоров Я.Г. Результаты моделирования двухдиапазонной микрополосковой антенны / Я.Г. Сидоров // Радіоелектроніка і молодь XXI ст.: 7-й міжнар. молодіжний форум, 22 - 24 квітня 2003 р.: зб. матеріалів форуму. - Х., 2003. - С. 10.

Размещено на Allbest.ru