Багатоцільова антенна решітка з цифровим керуванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Багатоцільова антенна решітка з цифровим керуванням

Нестерук С.В.

05.12.07 - антени та пристрої мікрохвильової техніки

Одеса - 2009

Вступ

Актуальність теми. Стрімке зростання рівня інформатизації суспільства зумовило значний приріст темпів розвитку і вдосконалення радіотехнічних систем різного призначення. Підвищення ефективності роботи даних систем визначається поліпшенням якісних показників всіх підсистем, що входять в їх склад і, особливо, антенних пристроїв, як основних елементів радіоканалу. У якості антенних пристроїв цілого ряду радіотехнічних систем широке застосування знаходять антенні решітки (АР). Використання АР дозволяє реалізувати специфічні функції, притаманні радіотехнічним системам, і може служити різним цілям. Разом з тим все більш очевидно виявляється проблема розробки багатоцільових радіотехнічних систем, в рамках яких суміщено виконання декількох функцій. Це накладає певні умови на використання АР, які повинні відповідати розширеному набору вимог і бути багатоцільовими пристроями.

Сучасна теорія антен має в своєму розпорядженні великий обсяг напрацювань по створенню АР. Значний внесок до розвитку теорії та техніки антенних решіток внесли такі відомі учені як Воскресенський Д.І., Чаплін А.Ф., Горобец М.М., Слюсар В.І., Hansen R.C., Mailloux R.J. та ін. Разом з тим аналіз літературних джерел показує, що основна увага при створенні АР приділяється вирішенню специфічних завдань, що не дозволяє використовувати одні і ті ж підходи для побудови багатоцільових АР.

Останнім часом все більша кількість дослідників звертає свою увагу на методи цифрової обробки сигналів, зокрема в АР. Даний підхід в корені змінює уявлення про АР, оскільки дозволяє уніфікувати структуру АР, а зміну властивостей АР повністю здійснювати програмними засобами. Проте, в більшості робіт, присвячених цифровим методам керування, акцент робиться саме на обробці сигналів, а електродинамічні властивості самих АР відходять на другий план. При цьому проблема забезпечення потенційної можливості антени по отриманню з електромагнітного поля інформації про його структуру з урахуванням векторної природи самого електромагнітного поля залишається маловивченою.

У зв'язку з цим розробка і дослідження багатоцільових АР з цифровим керуванням їх характеристиками є актуальним науково-технічним завданням, що має практичну спрямованість.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які представлені у дисертаційній роботі, є складовою частиною науково-дослідних робіт, що виконувалися на кафедрі радіотехніки та теле-комунікацій Севастопольського національного технічного університету в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти та науки України, а також кафедрі технічної електродинаміки та систем радіозв'язку Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова.

Результати дисертаційної роботи представлені в звіті держбюджетної НДР "Теоретичні й експериментальні дослідження багатоцільових дзеркальних антен з керованою поляризацією випромінювання" 2005 р. № ДР 0198U002842, Інв. № 0201U003399.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження характеристик АР з різними режимами випромінювання і цифровим діаграмоутворенням.

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішення наступних наукових завдань:

- обґрунтування та формулювання принципу побудови багатоцільових АР;

- обґрунтування необхідності та розробка методу керування амплітудно-фазовим розподілом збуджуючих струмів в елементах дугової антенної решітки (ДАР) на підставі оптимізаційного алгоритму;

- розробка математичної моделі модифікованого плоского спірального антенного елементу та його електродинамічної моделі на основі узагальненого методу наведених електрорушійних сил (ЕРС), а також дослідження його властивостей із застосуванням розробленої моделі;

- розробка методу визначення положення локального фазового центру для використовуваного спірального антенного елементу, дослідження його властивостей;

- розробка методу амплітудного керування параметрами поляризації поля випромінювання, розробка структурної схеми пристрою керування поляризацією поля випромінювання;

- моделювання характеристик багатоцільової АР і дослідження її електродинамічних властивостей.

Об'єктом дослідження є характеристики електромагнітного поля, що формується багатоцільовою АР.

Предметом дослідження є багатоцільова АР з плоских спіральних випромінювачів, розташованих на криволінійній поверхні, а також алгоритми відповідного керування амплітудно-фазовим збудженням елементів.

Методи дослідження. В процесі дослідження на етапі попередньої оцінки скануючих властивостей АР використовується інженерний метод розрахунку діаграми спрямованості на основі теореми перемножування; визначення амплітуд і фаз струмів в елементах здійснювалося з використанням методу еквівалентної апертури; дослідження властивостей елементу антенної решітки проводилося на основі узагальненого методу наведених ЕРС, який в своїй реалізації використовує методи теорії матриць, векторної і лінійної алгебри; дослідження властивостей повної АР проводилося за допомогою комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Результати досліджень є новими як методологічно, так і за висновками та рекомендаціями. До основних з них можна віднести:

- запропонований метод розрахунку та оптимізації амплітудно-фазового збудження елементів АР, які розташовані на криволінійній утворюючій поверхні;

- запропонований та розроблений метод аналізу електродинамічних характеристик багатозахідного спірального випромінювача та АР в цілому на підставі узагальненого методу наведених ЕРС;

- теоретично та експериментально доведений результат формування модифікованою 4-х захімдною спіраллю поля випромінювання з різними видами поляризації (лінійна, кругова) з незмінними параметрами характеристики спрямованості та вхідного опору;

- розроблену математичну модель для розрахунку положення локального фазового центру випромінювача з довільною поляризацією;

- запропонований метод цифрового керування характеристиками АР, зокрема поляризаційними в межах головної пелюстки діаграми спрямованості (ДС), напрямом максимального випромінювання при збереженні рівня бокових пелюсток.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність отриманих в дисертаційній роботі результатів полягає у:

- розробці методу інженерного розрахунку АР на криволінійній поверхні та алгоритму оптимального амплітудно-фазового збудження елементів по критерію максимального наближення до потрібного амплітудного розподілу напруженості електричного поля в еквівалентній апертурі (ЕА);

- розробці оригінальної конструкції 4-х захімдного плоского спірального випромінювача з модифікованим способом намотки;

- створенні комп'ютерної програми для розрахунку електродинамічних характеристик плоских спіральних випромінювачів та антенних решіток, що з них складені;

- розробці багатофункціональної кругової ДАР, яка здатна формувати ДС потрібної форми та здійснювати керування її параметрами при збереженні низького рівня бокового випромінювання.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень впроваджені на підприємстві ТОВ "Ураніс" (м. Севастополь), а також підприємстві ВАТ "Чорномортехфлот" (м. Одеса).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійно виконаною роботою, в якій особисто автором одержані теоретичні та прикладні результати. З наукових результатів, опублікованих у співавторстві, використані лише ті, які одержані автором. Особистий внесок здобувача зазначено у переліку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на міжнародних конференціях, семінарах та форумах: X та XI Міжнародних молодіжних форумах "Радіоелектроніка і молодь в XXI столітті" (Харків, 2006…2007 рр); 14-й, 16-й Міжнародних конференціях "НВЧ техніка і телекомунікаційні технології" (Севастополь, 2004, 2006 рр); 2-й…5-й Міжнародній молодіжній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і вчених "Молодь і сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій РТ-2006…РТ-2009" (Севастополь, 2006…2009 рр); 3-rd 4-th International Conference “Ultrawideband and ultrashort impulse signals” (Севастополь, 2006, 2008 рр); 1-й Міжнародній науковій конференції "Глобальні інформаційні системи. Проблеми і тенденції розвитку" (Туапсе, 2006); 6-th International Conference on Antenna Theory and Techniques (Севастополь, 2007 р); 12-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Одеса, 2008 р); VIII-й Міжнародної конференції молодих вчених "Радіофізика і електроніка, біофізика" (Харків, 2008).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 21 наукову роботу, з них 5 статей у фахових наукових виданнях за переліком ВАК України та 16 тез доповідей.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 210 сторінок комп'ютерного тексту, у тому числі: основного тексту 172 сторінки, 5 таблиць та 71 рисунок, 4 додатки обсягом 22 сторінки; список використаних джерел складає 141 найменування на 16 сторінках.

1. Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрито сутність і стан науково-технічної задачі, обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету і завдання дослідження, сформульовано об'єкт і предмет дослідження, представлені використовувані методи, визначено основні елементи наукової новизни, особисто одержаних автором результатів, зазначено зв'язок роботи з науковими планами, темами.

У першому розділі дисертаційної роботи - “Огляд сучасних напрацювань в області проектування антенних решіток” - проведений огляд сучасних радіотехнічних систем, складовою частиною яких є АР. На прикладі систем мобільного зв'язку, радіолокації, а також супутникового зв'язку показані можливості поліпшення параметрів цих систем за рахунок використання в них АР з оптимальними характеристиками. Разом з тим розглянуті АР спроектовані таким чином, що демонструють спроби розширення їх функціональності. Виділені базові функції, які є характерними для АР: формування ДС необхідної форми, в першу чергу з максимумом випромінювання у відповідному напрямі; динамічне керування формою і параметрами ДС, здійснення сканування головною пелюсткою ДС й адаптації форми ДС; формування багатопроменевої ДС із заданою кількістю променів фіксованої або змінної ширини головної пелюстки ДС; керування поляризацією випромінювання.

Показано, що побудова багатоцільової (багатофункціональної) АР пов'язана з можливістю зміни алгоритму обробки сигналів, що наводяться на елементах АР, або збудження цих елементів. У зв'язку з цим значного поширення набули АР з цифровим керуванням, або цифрові антенні решітки (ЦАР). Однак основна увага при побудові ЦАР приділяється саме обробці сигналів, що наводяться на елементах АР. Разом з тим, АР сама по собі є електродинамічним пристроєм, який і визначає потенційні можливості системи по керуванню просторово-поляризаційними параметрами як поля, що наводиться, так і поля випромінювання.

У даному розділі також проводиться короткий огляд методів дослідження електродинамічних характеристик АР. Показано, що дослідження потенційних властивостей АР, особливо малоелементних, слід проводити з використанням поелементного підходу, що повністю враховує характер взаємного впливу між елементами АР. Для цього обраний метод інтегральних рівнянь, як найбільш універсальний і адекватний більшості практичних завдань, а само вирішення інтегрального рівняння пропонується проводити з використанням узагальненого методу наведених ЕРС.

У другому розділі - “Теоретичне дослідження електродинамічних властивостей антенних решіток” - приведені результати досліджень характеристик спрямованості АР з використанням інженерного методу з метою виявлення взаємозв'язку між геометричними параметрами АР і параметрами відповідних ДС.

Для цього на першому етапі проведений аналіз скануючих властивостей ДАР з елементами, розташованими на дузі півкола (див. рис. 1).

З використанням математичної моделі

,(1)

де -- кількість елементів АР; -- ДС одиночного елементу АР; -- кут, що характеризує розташування елементів у складі АР;

-- хвильове число вільного простору; -- довжина хвилі електромагнітного коливання; -- відносна фаза струму, який збуджує i-й елемент АР; -- відстань від i-го елементу АР до точки в дальній зоні, показано що навіть для ізотропних елементів АР ширина головного пелюстку ДС такої АР залежить від сектору сканування, в якому ширина головного пелюстку не перевищує заданих меж, кількості елементів (особливо при малому ) та від радіусу ДАР. Найбільш характерні значення параметрів надані у таблиці 1.

Таблиця 1 Радіус дугової антенної решітки при різних вимогах до формованої діаграми спрямованості ()

Сектор сканування	Ширина пелюстки не більше 10?	Ширина пелюстки не більше 15?	Ширина пелюстки не більше 20?
-60?…+60?
-45?…+45?
-30?…+30?

Аналіз змін інших параметрів ДС досліджуваної ДАР виявив, що при рівноамплітудному збудженні елементів ДАР рівень бокових пелюсток більший, ніж у еквівалентній лінійній еквідистантній решітки, що пов'язане з нерівномірним амплітудним розподілом поля в ЕА ДАР.

На другому етапі запропонований і розроблений метод розрахунку амплітудно-фазового збудження елементів ДАР для формування необхідного амплітудно-фазового розподілу поля в ЕА. Враховуючи, що лінійний фазовий розподіл визначає напрям максимуму головної пелюстки ДС, розроблена математична модель, що описує амплітудний розподіл напруженості електричного поля в ЕА, яка з точністю до постійного множника має вигляд:

,(2)

де -- координата, відлічувана уподовж ЕА від проекції першого елементу; -- амплітуда струму збудження -го елементу АР;

;

-- максимальна відстань між проекціями двох сусідніх елементів АР; -- габаритний розмір ЕА.

На підставі математичної моделі (2) сформована цільова функція для багатопараметричної оптимізації значень амплітудно-фазового збудження елементів АР, що дозволяє отримати середньоквадратичне наближення до необхідного амплітудного розподілу в ЕА у вигляді:

,(3)

де -- необхідний амплітудний розподіл поля в ЕА.

З використанням методу градієнтного спуску з постійним кроком розроблений оптимізаційний алгоритм і виконані відповідні розрахунки. На рис. 2, а зображені амплітудні розподіли напруженості електричного поля в ЕА при рівноамплітудному збудженні елементів ДАР (пунктирна крива) і оптимальному (суцільна крива) для напряму випромінювання .

На рис. 2, б зображені ДС ДАР, що відповідають випадкам рівноамплітудного (крива, побудована штрихпунктиром з однією крапкою, і пунктирна крива) і оптимального (суцільна крива і крива, побудована штрихпунктиром з двома крапками) збудження елементів АР для різних напрямів максимального випромінювання.

Згідно з наведеними графіками видно, що запропонований метод розрахунку і виконана на його основі оптимізаційна процедура дозволяють знизити рівень бічного випромінювання при збереженні інших параметрів ДС.

У третьому розділі - “Математична модель елементу антенної решітки” - представлені результати розробки елементу АР у вигляді плоскої модифікованої спіралі, а також результати теоретичних і експериментальних досліджень електродинамічних характеристик такого випромінювача.

Пропонується новий спосіб намотування спірального випромінювача, що відрізняється від традиційних (з рівномірним кроком і рівнокутного) так званим "зворотним стисненням", що дозволяє стабілізувати активну область спіралі в заданому діапазоні частот і отримати необхідні електродинамічні характеристики при менших габаритних розмірах. Математична модель, що описує запропонований спосіб намотування спіралі (див. рис 3.), записується у вигляді

,(4)

де змінюється в межах від до ; -- кількість витків спіралі; -- початковий радіус намотування спіралі; -- параметр стиснення;

-- масштабний коефіцієнт; -- радіус зовнішнього габаритного кола, що обмежує розмір спірального намотування.

Антенний елемент (АЕ), розроблений на основі модифікованої спіралі, є 4-х захімдним спіральним випромінювачем. Для створення односпрямованого випромінювання спіральний випромінювач розташований над екраном. На рис. 4 зображений натурний макет розробленого АЕ, який з оптимально підібраними геометричними параметрами дозволяє здійснювати керування поляризацією випромінюваного поля. Для цього ортогональні намотування збуджуються або синфазно (протифазно) для отримання ортогональних видів лінійної поляризації, або з фазовим зсувом () для отримання ортогональних видів кругової поляризації. Одночасна обробка чотирьох сигналів в двох поляризаційних базисах дозволяє отримати сигнал еліптичної поляризації з довільними параметрами.

Аналітично визначена також поточна довжина спірального заходу, що описується (4), у вигляді

,(5)

де -- експоненціальний інтеграл.

Дослідження електродинамічних властивостей запропонованого АЕ виконується з використанням узагальненого методу наведених ЕРС. В основі даного методу лежить знаходження взаємних опорів сегментів, що перекриваються і апроксимують провідник випромінювача у вигляді

,(6)

де , позначають -й та -й сегмент; і -- довжини першого і другого плечей -го сегменту; -- тангенціальна складова напруженості електричного поля, що створюється -м сегментом поблизу поверхні -го сегменту; , -- значення струму в точці збудження -го та -го сегменту; -- функція розподілу струму вздовж довжини -го сегменту.

Тангенціальна складова напруженості електричного поля, що входить у (6), визначена з використанням базису Річмонда при представленні функції струму та з урахуванням компонент поля, які створені двома різними плечима одного сегменту, на підставі виразів:

;(7)

(8)

;(9)

(10)

де -- координати циліндрової системи координат, пов'язаної з плечем сегменту; і -- відстані від кінців сегменту та від середини сегменту (загальної точки обох плечей) до точки спостереження.

До особливостей реалізації узагальненого методу наведених ЕРС слід віднести використання векторної алгебри для визначення геометричних параметрів сегментів АЕ, а також використання властивостей симетрії структури спірального АЕ для зменшення кількості обчислень при заповненні матриці взаємних опорів. Складена математична модель дозволяє розрахувати всі характеристики електромагнітного поля, що створюється як запропонованим АЕ, так і АР в цілому, у тому числі фазові діаграми спрямованості (ФДС) .

Принцип побудови багатоцільової АР на криволінійній поверхні, а також використання всеполяризаційних АЕ привели до необхідності обліку фазових характеристик та визначення локального фазового центру АЕ. Для цього розроблена математична модель для чисельного визначення локального фазового центру АЕ на підставі ФДС в кінцевому числі точок:

при ;(11)

при ,(12)

де і -- оператори переходу з полярної системи координат в прямокутну.

На підставі вирішення системи рівнянь для кіл побудованих по трьом послідовним точкам ФДС отримані вирази для координат локального фазового центру :

(13)

.(14)

Результати дослідження довели, що локальний фазовий центр запропонованого АЕ із збільшенням відстані до точки спостереження встановлюється в точці, розташованій на екрані безпосередньо під місцем підведення збудження до спірального випромінювача.

На кінцевому етапі створення АЕ за допомогою розробленої математичної моделі були досліджені його вхідні характеристики, а також характеристики випромінювання. На рис. 5, а, б зображені графіки, що пояснюють характер зміни вхідного опору АЕ і КСХ в лінії передачі хвилевим опором 300 Ом. Штриховою лінією показані результати розрахунку, суцільна лінія відповідає результатам моделювання в пакеті FEKO 5.4. На рис. 5, в зображені ДС АЕ по різних поляризаційних складових. Експериментальні результати показані штриховою лінією. В ході експериментальних досліджень доведена можливість керування поляризацією випромінюваного поля, причому рівень придушення кросполяризаційної компоненти уздовж осі випромінювача на центральній частоті перевищує 15 дБ, а в межах ширини ДС по рівню -10 дБ не падає менше 7 дБ. Відмінність експериментальних ДС від розрахованих не перевищує 10% в межах ширини головної пелюстки по рівню -3 дБ, і 30% -- в межах ширини головної пелюстки по рівню -10 дБ. КСХ елементу не перевищує 2,3 у всій смузі робочих частот.

У четвертому розділі - “Управління параметрами антенних решіток” - розроблена математична модель амплітудного керування поляризацією випромінюваного поля. Показано, що таке керування в головній пелюстці ДС АР можливо реалізовувати за рахунок відповідної зміни амплітуд збудження АЕ. Математичний вираз для електромагнітного поля еліптичної поляризації з довільними параметрами може бути записаний в наступному вигляді:

(15)

де і -- орти лінійного поляризаційного базису; -- амплітуда однієї з ортогональних лінійних компонент напруженості електричного поля;

;

;

;

;

-- коефіцієнт еліптичності випромінюваного поля; -- кут нахилу поляризаційного еліпса; -- циклічна частота.

Разом з тим поле довільної еліптичної поляризації у вигляді змішаної суми компонент лінійного та кругового поляризаційного базису

,(16)

де

;

та -- амплітуди ортогональних поляризаційних компонент лінійного та кругового поляризаційного базису.

Таким чином зміна параметрів поляризації поля випромінювання можлива за рахунок зміни тільки амплітудних значень поляризаційних компонент, що дозволяє уникнути виділення фаз сигналів і їх обробку. При цьому для створення поля випромінювання еліптичної поляризації із заданими параметрами і необхідні наступні значення амплітуд поляризаційних компонент:

; (17)

; (18)

(19)

де

.

Вирази (17) - (19) складають математичну модель амплітудного керування параметрами поляризації поля випромінювання, яке реалізовано в ЦАР, причому поляризаційна обробка передує формуванню спрямованих властивостей АР.

Також в даному розділі розроблена математична модель цифрового керування характеристиками спрямованості АР. Показано, що при роботі АР на прийом початковий високочастотний сигнал з виходу -го АЕ може бути представлений у вигляді двох квадратурних сигналів

, ,(20)

та повністю зберігає інформацію про параметри сигналу на момент -ої вибірки, зокрема амплітуду та його відносну фазу . При роботі в передавальному режимі з сигналів вигляду (20) за допомогою комплексних вагових коефіцієнтів формуються квадратурні сигнали, які після перетворення в аналоговий сигнал на АЕ також мають задані амплітуду та відносну фазу, як і в процесі обробки. Таким чином, необхідна повна обробка сигналів з виходів АЕ в обчислювальному пристрої із застосуванням математичних моделей керування поляризацією й амплітудно-фазовим розподілом.

У п'ятому розділі - “Моделювання електродинамічних характеристик антенної решітки” - представлені результати комп'ютерного моделювання багатоцільової АР для різних режимів (скануючий, багатопроменевій), включаючи розрахунки характеристик випромінювання та вхідного імпедансу.

На підставі моделювання електродинамічних характеристик АР обрана ДАР (див. рис. 6), що містить 14 АЕ і має радіус

,

де -- довжина хвилі, відповідна середній частоті робочого діапазону (). В процесі розрахунків характеристик спрямованості ДАР використовувалися результати оптимізації амплітудного розподілу струмів збудження, що спадає до країв і записується у вигляді:

,(21)

де -- габаритний розмір ЕА АР; -- поточна координата проекції елементу на ЕА; -- величина п'єдесталу розподілу.

У таблиці 2 наведені результати розрахунку параметрів ДС ДАР для формування однієї головної пелюстки ДС ДАР у всьому робочому діапазоні частот для сектора сканування головною пелюсткою ДС в межах .

Таблиця 2 Параметри ДС круговий ДАР з 14 елементами

Частота	Параметр	Напрям максимуму випромінювання
МГц	, дБ	-18,0	-16,3	-15,7
	, гр	14,8	14,7	14,9
МГц	, дБ	-15,8	-14,0	-13,4
	, гр	12,9	13,4	13,3
МГц	, дБ	-13,7	-12	-11,4
	, гр	12,0	12,4	12,8

Згідно з результатами комп'ютерного моделювання розроблена ДАР може проводити сканування головною пелюсткою ДС в секторі кутів , відлічуваних від напряму , у всьому діапазоні робочих частот від до . При цьому ширина головної пелюстки ДС незначно змінюється від на верхній робочій частоті в середині сектора сканування до на нижній робочій частоті на краю сектора сканування. При цьому рівень бічних пелюсток залишається менш ніж для всіх частот і положень головної пелюстки ДС. Рівень узгодження елементів ДАР в процесі сканування характеризується КСХ, який не перевищує 1,75.

На рис. 7 для прикладу зображені ДС ДАР для трьох різних частот і трьох положень головного максимуму ДС.

На рис. 8 зображена багатопроменева ДС (5 променів по рівню в межах сектора сканування) лінійної поляризації, що створюється АР на центральній частоті робочого діапазону, а також КЕ випромінюваного поля. В межах ширини кожної з пелюсток зберігається лінійна поляризація випромінюваного поля (КЕ в межах ширини пелюстки ДС по рівню не відхиляється від заданого значення більш ніж на ).

На рис. 9 зображена багатопроменева ДС ДАР, для якої поле в кожному з променів має своє задане значення КЕ (на рисунку показані встановлені рівні КЕ).

амплітудний фазовий антенний поляризація

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання дослідження електродинамічних характеристик і розробки антени для багатофункціональних радіотехнічних систем за рахунок використання багатоцільової АР. Вирішення цієї задачі базується на побудові конформної АР зі всеполяризаційними широкосмуговими АЕ і використанні цифрового керування, що дозволяє програмним шляхом змінювати режими випромінювання АР та параметри ДС. Розроблена АР дозволяє використовувати повну інформацію про структуру електромагнітного поля, що розширює потенційні можливості по керуванню електродинамічними характеристиками АР, зокрема поляризаційними.

Основні наукові та прикладні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Обґрунтований і сформульований принцип побудови багатоцільової АР, що полягає в поєднанні всеполяризаційних АЕ з блоком цифрового керування їх параметрами.

2. Розроблений і реалізований метод керування амплітудами струмів збудження в АЕ конформної АР, що дозволяє оптимізувати амплітудно-фазовий розподіл поля в еквівалентній апертурі по критерію найменшого середньоквадратичного відхилення цього розподілу від заданого.

3. Запропонований новий спосіб намотування плоского спірального випромінювача, використання якого в 4-х захімдному АЕ дозволяє отримати стабільні вхідні характеристики і характеристики випромінювання, а також керувати параметрами поляризації випромінюваного поля на підставі розробленого методу амплітудного керування поляризацією.

4. Розроблена математична модель для розрахунку електродинамічних властивостей запропонованого модифікованого спірального АЕ, а також АР в цілому на підставі узагальненого методу наведених ЕРС. Створена комп'ютерна програма, що реалізовує дану модель.

5. За допомогою виготовленого натурного макету запропонованого антенного випромінювача проведені експериментальні дослідження його властивостей, включаючи поляризаційні характеристики, характеристики спрямованості та вхідний імпеданс. В ході досліджень експериментально доведена можливість керування поляризацією випромінюваного поля.

6. Складена математична модель цифрового керування характеристиками спрямованості багатоцільової АР, а також амплітудного керування параметрами поляризації випромінюваного поля. Показано, що цифрове формування поляризаційних властивостей в АР повинне передувати формуванню характеристик спрямованості.

7. Проведено комп'ютерне моделювання багатоцільової АР. Показано, що ДАР з радіусом , яка має в своєму складі 14 АЕ, дозволяє здійснювати сканування головною пелюсткою ДС в секторі кутів при збереженні ширини головної пелюстки ДС, формувати багатопроменеву ДС та керувати поляризацією в кожному проміні. Використання запропонованого методу керування амплітудно-фазовим розподілом струмів в АЕ дозволило зберегти рівень бічних пелюсток менш для всіх робочих частот і всіх положень максимуму випромінювання.

Таким чином, поставлене у дисертаційній роботі науково-технічне завдання створення багатоцільової АР і дослідження її електродинамічних властивостей вирішене. Результати досліджень рекомендуються для впровадження на підприємствах, що займаються розробкою і виробництвом багатофункціональних радіотехнічних систем різного призначення.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Нестерук С.В. Влияние фазового распределение поля в апертуре зеркальной антенны на ее характеристики излучения / М.Б. Проценко, А.В. Троицкий, С.В. Нестерук // Вестник СевГТУ. Вып. 60: Информатика, электроника, связь: сб. науч. тр. -- 2004. -- № 60. -- С. 118--123. (0,18 д.а.) (особисто здобувачу належить розробка математичної моделі, яка враховує вплив відхилення фазового розподілу на параметри діаграми спрямованості антени, - 0,1 д.а.).

2. Нестерук С.В. Повышение эффективно излучающей поверхности зеркальной антенны со сферическим рефлектором / М.Б. Проценко, С.В. Нестерук, В.С. Семов // Вестник СевГТУ. Вып. 68: Информатика, электроника, связь: сб. на-уч. тр. -- 2005. -- № 68. -- С. 126--131. (0,24 д.а.) (особисто здобувачу належить виконання розрахунків та формулювання принципу корекції фазового розподілу, - 0,15 д.а.).

3. Нестерук С.В. Особенности расчета и анализ местоположения локального фазового центра антенны с эллиптической поляризацией / М.Б. Проценко, С.В. Нестерук // Наукові праці ОНАЗ. -- 2006. -- №2. -- С. 6 -- 10. (0,32 д.а.) (особисто здобувач запропонував математичний алгоритм та виконав розрахунки положень локального фазового центру антенного елемента, - 0,25 д.а.).

4. Нестерук С.В. Исследование пространственно-временного изменения плотности потока энергии в ближней зоне передающих антенн / М.Б. Проценко, С.В. Нестерук, Л.И. Степанова // Наукові праці ОНАЗ. -- 2008. -- №2. -- С. 10 -- 15. (0,32 д.а.) (особисто здобувачу належать розрахунки параметрів поля у ближній зоні та проведення моделювання антенного елемента, - 0,15 д.а.).

5 Нестерук С.В. Плоский элемент многофункциональной антенной решетки с управляемой поляризацией излучения / С.В. Нестерук // Наукові праці ОНАЗ. -- 2008. -- №2. -- С. 61 -- 64. (0,3 д.а.)

6. Нестерук С.В. Особенности распределения поля в апертуре параболической антенны при произвольном расположении облучателя / М.Б. Проценко, С.В. Нестерук // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2004 : междунар. науч.-техн. конф., 13-17 сен. 2004 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2004. -- С. 359--360. (0,23 д.а.) (особисто здобувачу належить розробка математичної моделі врахування фазового розподілу поля в еквівалентній апертурі антени, а також результати розрахунків, - 0,12 д.а.).

7. Нестерук С.В. Излучатель широкополосной антенной решетки / С.В. Нестерук // Современные проблемы радиотехники РТ-2006 : междунар. науч.-техн. конф., 12-16 апр. 2006 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2006. -- С. 87. (0,04 д.а.).

8. Нестерук С.В. Сравнительный анализ методов формирования оптимальных диаграмм направленности антенными решетками / С.В. Нестерук, В.С. Семов // Современные проблемы радиотехники РТ-2006 : междунар. науч.-техн. конф., 12-16 апр. 2006 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2006. -- С. 94. (0,06 д.а.) (особисто здобувачу належить обґрунтування різних методів формування діаграм спрямованості та їх порівняння, - 0,05 д.а.).

9. Нестерук С.В. Адаптивная антенная решетка с цифровой обработкой сигнала и дискретной оптимизацией весовых коэффициентов / С.В. Нестерук // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке : 10-й междунар. молодежный форум, 10-12 апр. 2006 г. : тезисы докл. -- Х., 2006. -- С. 20. (0,06 д.а.).

10. Нестерук С.В. Анализ фазовых характеристик направленности антенн с эллиптической поляризацией излучения / М.Б. Проценко, С.В. Нестерук // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2006 : междунар. науч.-техн. конф., 11-15 сен. 2006 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2006. -- С. 449--450. (0,2 д.а.) (особисто здобувачу належить запропонований метод та виконання розрахунків положень локального фазового центру антенного елемента, - 0,18 д.а.).

11. Nesteruk S.V. Antenna device for analysis of space-time vector signals / M.B. Protsenko, S.V. Nesteruk // Ultrawideband and ultrashort impulse signals : Int. Conf., 18-22 Sept. 2006. : report. -- Sevastopol, 2006. -- P. 361-362. (0,23 д.а.) (особисто здобувачу належить запропонований пристрій для обробки поляризації випромінювання, а також формулювання висновків досліджень, - 0,18 д.а.)

12. Нестерук С.В. Обоснование требований к антеннам MIMO-систем бес-проводного доступа / С.В. Нестерук, М.Б. Проценко// Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития : 1-я междунар. науч. конф., 3-6 окт. 2006 г. : тезисы докл. -- Туапсе, 2006. -- С. 8--9. (0,13 д.а.) (особисто здобувачу належить формулювання вимог до антенних решіток стосовно їх використання у сучасних MIMO-системах, - 0,11 д.а.).

13. Нестерук С.В. Цифровое управление амплитудой и фазой радиосигналов / С.В. Нестерук, М.С. Токарь, К.С. Саньков, М.Б. Проценко // Радиоэлектрони-ка и молодежь в XXI веке : 11-й междунар. молодежный форум, 10-12 апр. 2007 г. : тезисы докл. -- Х., 2007. -- С. 35. (0,03 д.а.) (особисто здобувачу належить запропонована схема цифрового керування амплітудами та фазами елементів антенної решітки, - 0,02 д.а.).

14. Нестерук С.В. Дуговая антенная решетка для систем подвижной радиосвязи третьего поколения / С.В. Нестерук, К.А. Барабаш, М.С. Токарь, М.Б. Проценко // Современные проблемы радиотехники РТ-2007 : междунар. науч.-техн. конф., 16-21 апр. 2007 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2007. -- С. 121. (0,08 д.а.) (особисто здобувачу належить ідея застосування дугової решітки у сучасній інформаційній системі, - 0,07 д.а.).

15. Nesteruk S.V. Non-uniform amplitude excitation of elements in an antenna array / S.V. Nesteruk, M.B. Protsenko // International Conference on Antenna Theory and Techniques : 6-th Int. Conf., 17-21 Sept. 2007. : report. -- Sevastopol, 2007. -- P. 429-431. (0,27 д.а.) (особисто здобувачу належить запропонований та реалізований метод амплітудно-фазового збудження елементів антенної решітки з низьким рівнем бокового випромінювання, - 0,24 д.а.).

16. Нестерук С.В. Развитие метода наводимых ЭДС для расчета параметров криволинейных проволочных антенн / С.В. Нестерук, К.С. Саньков // Современные проблемы радиотехники РТ-2008 : междунар. науч.-техн. конф., 21-25 апр. 2008 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2008. -- С. 136. (0,07 д.а.) (особисто здобувачу належить удосконалення узагальненого методу наведених ЕРС з використанням багатьох ітерацій, - 0,06 д.а.).

17. Nesteruk S.V. Determination of antenna characteristics via system of S-parameters / S.V. Nesteruk, M.B. Protsenko // International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory : 12-th Int. Conf., 29 Jun.-02 Jul. 2008. : report. -- Odessa, 2008. -- P. 308-310. (0,18 д.а.) (особисто здобувачу належать отримання виразів для основних параметрів антен, - 0,09 д.а.).

18. Nesteruk S.V. Investigation of electromagnetic field structure in the near-field region of antenna / S.V. Nesteruk, M.B. Protsenko // Ultrawideband and ultrashort impulse signals : Int. Conf., 15-19 Sept. 2008. : report. -- Sevastopol, 2008. -- P. 133-135. (0,16 д.а.) (особисто здобувачу належить використання узагальненого методу наведених ЕРС для аналізу ближнього поля антенного елемента, - 0,12 д.а.).

19. Нестерук С.В. Пространственно-временные изменения вектора Пойнтинга в ближней зоне передающих антенн / Л.И. Степанова, С.В. Нестерук, М.Б. Проценко // Радиофизика и электроника, биофизика : междунар. конф., 25-27 ноябр. 2008 г. : тезисы докл. -- Х., 2008. -- С. 139. (0,05 д.а.) (особисто здобувачу належить реалізація математичного алгоритму, та виконання розрахунків розподілу вектора Пойнтінга поблизу антенного елемента, - 0,03 д.а.).

20. Нестерук С.В. Элемент антенной решетки с управляемой поляризацией излучения / С.В. Нестерук, М.Б. Проценко // Радиофизика и электроника, биофизи-ка : междунар. конф., 25-27 ноябр. 2008 г. : тезисы докл. -- Х., 2008. -- С. 133. (0,08 д.а.)

21. Нестерук С.В. Структура ближнего поля антенны базовой станции мобильной связи / Л.И. Степанова, С.В. Нестерук, М.Б. Проценко // Современные проблемы радиотехники РТ-2009 : междунар. науч.-техн. конф., 20-25 апр. 2009 г. : тезисы докл. -- Севастополь, 2009. -- С. 166. (0,1 д.а.) (особисто здобувачу належать результати моделювання поля випромінювання в ближній зоні антени та реалізація алгоритму розрахунку напруженості електричного поля, - 0,05 д.а.).

Размещено на Allbest.ru