Малогабаритні антени з керованою поляризацією випромінювання для рухомих об’єктів радіозв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки

Малогабаритні антени з керованою поляризацією випромінювання для рухомих об'єктів радіозв'язку

Лук'янчиков Андрій Володимирович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Проценко Михайло Борисович, Севастопольський національний технічний університет, доцент кафедри радіотехніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, доцент Должиков Володимир Васильович, Харківський національних університет радіоелектроніки, професор кафедри основ радіотехніки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Губар Володимир Олександрович, Науковий метрологічний центр (військових еталонів), начальник

Провідна установа: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, кафедра прикладної електродинаміки, Міносвіти і науки України, м. Харків.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Безрук В.М.

Анотація

антена поляризація випромінюючий

Лук'янчиков А.В. Малогабаритні антени з керованою поляризацією для рухомих об'єктів зв'язку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006.

У дисертації розглядається можливість підвищення ефективності радіоканалу мобільних систем радіозв'язку шляхом застосування на рухомих об'єктах малогабаритних антен з керованою поляризацією поля випромінювання для зниження поляризаційних втрат. Запропоновано метод побудови малогабаритних антен з керованою поляризацією, застосування якого при побудові малогабаритних антен для рухомих об'єктів радіозв'язку дозволить знизити рівень втрат, викликаних поляризаційною неузгодженістю до 3 дБ. Для реалізації цього методу на основі компромісного рішення обрані два типи випромінювачів: конічний спіральний і друкований випромінювач. Проведено теоретичні і експериментальні дослідження характеристик випромінювання та вхідного опору зазначених типів антен.

Ключові слова: конічна конічна спіральна антена, багатошарова друкована антена, керування поляризацією, математична модель поля випромінювання, амплітудно-фазовий розподіл струму.

Аннотация

Лукьянчиков А.В. - Малогабаритные антенны с управляемой поляризацией для подвижных объектов связи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - Антенны и устройства микроволновой техники. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2006.

В диссертации рассматривается возможность повышения эффективности радиоканала мобильных систем радиосвязи, путем применения на подвижных объектах малогабаритных антенн с управляемой поляризацией поля излучения для снижения поляризационных потерь. Предложен метод построения малогабаритных антенн с управляемой поляризацией, применение которого при построении малогабаритных антенн для подвижных объектов радиосвязи позволит снизить уровень потерь вызванных поляризационным рассогласованием до 3 дБ. Для реализации этого метода на основе компромиссного решения выбраны два типа излучателей: конический спиральный и печатный излучатель. Проведены теоретические и экспериментальные исследования характеристик излучения, входного сопротивления указанных типов антенн.

Предложены новые математические модели многозаходного конического спирального излучателя, выполненного в общем случае на эллиптическом конусе с произвольным видом намотки, объединяющей как известные, так и конструктивно новые варианты спиральных антенн. Выявлены общие закономерности и особенности формирования конической спиралью режимов излучения в зависимости от относительных геометрических параметров антенны, условий ее возбуждения. В частности, выявлено семь основных режимов излучения. Это режим двунаправленного поперечного излучения (режим малых рамок), режимы однонаправленного прямого осевого и обратного излучения, режимы воронкообразного излучения в прямом и обратном направлении, режимы двунаправленного осевого (режим “восьмерки”) и всенаправленного излучения. Выявлена взаимосвязь геометрических параметров излучателя, а также частотные свойства в пределах существования соответствующих выделенных режимов.

Предложен метод создания антенны с управляемой поляризацией излучения на основе конического спирального излучателя. Метод реализован на основе многозаходной конической спиральной антенны с оптимально подобранными конструктивными параметрами и соответствующем амплитудно-фазовым возбуждением заходов спирали.

Проведен качественный и количественный анализ характеристик печатного излучателя, включая формирование требуемой поляризации излучения, характеристик направленности антенны в зависимости от геометрических и электрических параметров излучателя при одночастотном и многочастотном возбуждении.

В результате численного моделирования характеристик печатного излучателя произвольной конфигурации выявлено следующее. Главное влияние на характеристики излучения оказывает расстояние между излучающими кромками. В зависимости от того, сколько полу волн (n,m=0,1,2…) укладывается между излучающими кромками, печатный излучатель работает в том или ином режиме. Необходимо отметить, что в режимах (0, 2n + 1) и (2m + 1,0) будет формироваться максимум в направлении нормали к излучателю, в то время, как (0, 2n+2) и (2m+2, 0), максимум излучения в направлении нормали отсутствует. Изменение размеров излучающих кромок не влияет на режим излучения, однако сказывается на ширине ДН, так при увеличении размеров излучателя, происходит сужение главного лепестка ДН, и наоборот. На широкополосные свойства излучателя существенное влияние оказывает толщина подложки. Размер излучающей кромки влияет на входное сопротивление антенны, так увеличение размеров излучающей кромки от до , требует перемещения точки возбуждения от до , то есть точка питания смещается от центра излучателя к его краю.

Разработаны оригинальные конструкции малогабаритных антенн с управляемой поляризацией излучения для подвижных объектов радиосвязи в виде: четырехзаходной конической спиральной антенны с широкополосным устройстве возбуждения и коммутации; двухвходовой печатной антенны, работающей как в одночастотном, так и двухчастотном режимах со схемой возбуждения и коммумации. Также разработаны автоматизированный измерительный стенд для сбора, обработки и отображения результатов измерений характеристик антенн, прикладное программное обеспечение для расчета, автоматизированного анализа и моделирования характеристик конических спиральных антенн произвольной конфигурации и без ограничений на их размеры, печатных антенн с многоточечным возбуждением.

Ключевые слова: коническая спиральная антенна, печатная антенна, управление поляризацией, математическая модель поля излучения, амплитудно-фазовое распределение тока.

Abstract

Lukyanchikov A.V. - Small-size antennas with controlled polarization of radiated fields, for mobile vehicle radiocommunication.

Ph. D. thesis on speciality 05.12.07 - antennas and device of microwave engineering. - Sevastopol state technical university, Kharkov, 2006.

Possibility of the increasing of efficiency of radiochannel for mobile system of radiocommunication by the use of compact antennas with controlled polarization of radiated fields for the decrease of polarization losses on mobile vehicle is considered in the Ph. D. thesis. Method of construction of small-size antennas with controlled polarization is suggested.

Generalize mathematical model of radiation field of conical spiral radiator, with controlled polarization is developed. Generalize mathematical model of radiation field of patch radiator, with controlled polarization include one and two input is developed. The investigation of the polarization structure radiation field of conical spiral and patch antenna was carried out. The obtained numerical results are in a good agreement with experimental research. Thus, the right choice of the developed mathematical model of the antenna with controlled polarization construction is confirmed.

Key words: conical spiral antenna, patch antenna, polarization control, mathematical model of radiation fields, amplitude and phase distribution of current.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Існуючі тенденції підвищення ефективності радіозасобів, у тому числі застосовуваних на рухомих об'єктах, приводять до необхідності розробки й створення антенних пристроїв, що більш повно використовують потенційні властивості електромагнітного поля. Особливої уваги заслуговують малогабаритні антенні пристрої, якісні характеристики яких визначаються не тільки можливістю формування необхідної спрямованості випромінювання, тобто амплітудною діаграмою спрямованості (ДС) та частотними властивостями, але й можливістю формування заданого виду поляризаційної структури електромагнітного поля як при випромінюванні, так і при прийомі.

У цей час на рухомих об'єктах найчастіше використовуються антени з фіксованою поляризацією випромінювання, що обмежує гранично досяжні можливості радіосистем як по енергетичному потенціалу радіоканалу, так і за стійкістю радіозв'язку на граничних відстанях. Одним зі способів підвищення цих можливостей є зменшення поляризаційних втрат шляхом застосування антен з керованою поляризацією поля випромінювання.

Завдяки малим массо-габаритним показникам, можливості формувати поле як лінійної, так і кругової поляризації, а також простоті збудження, до найбільш перспективних випромінювачів, придатних для створення таких антен, можна віднести: випромінювач у вигляді спіральної структури, виконаної на конічній поверхні; друкований випромінювач (ДВ). Відомі результати досліджень малогабаритних антен на основі цих типів випромінювачів і можливості формування з їхньою допомогою, у першу чергу, необхідних поляризаційних та частотних характеристик, досить обмежені. Це утруднює обґрунтований вибір і оптимізацію геометричної конфігурації антени, схеми її збудження, розрахунок і аналіз основних характеристик випромінювання й, в остаточному підсумку, створення ефективних антен з новими можливостями й гранично досяжними характеристиками.

Отже, розробка й дослідження малогабаритних антен, що включають розробку відповідних математичних моделей випромінювачів, їх еквівалентних схем і виявлення загальних закономірностей і особливостей зміни характеристик антен, оптимізації геометричних параметрів випромінювачів, схем їхнього збудження з погляду вимог до антен рухомих об'єктів систем радіозв'язку, є актуальною задачею, яка має наукове й прикладне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, представлені в дисертаційній роботі, є складовою частиною науково-дослідних робіт (НДР), виконаних на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України. Результати дисертаційної роботи представлені у звітах з держбюджетних НДР: „ Розробка статистичної моделі каналу зв'язку і макетів нових частотно-незалежних антен дециметрового і сантиметрового діапазонів ”, 2000 р., № ДР 0198U002842, Інв. № 0201U003399; „Розробка математичної моделі гібридно-дзеркальної антени з застосуванням малоелементних антенних решіток”, 2001 р., № ДР 0101U00101.

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є вибір і обґрунтування методу побудови малогабаритних антен з керованою поляризацією випромінювання у вигляді конічної спіральної антени й друкованої антени, застосування яких у системах радіозв'язку на рухомих об'єктах дозволяє знизити рівень втрат, викликаних поляризаційною неузгодженістю, до 3 дБ.

Відповідно до відзначеної мети в роботі ставляться наступні основні задачі наукових досліджень:

1. Теоретичні дослідження характеристик випромінювання, та вхідного опору спіральних випромінюючих структур, виконаних на конічній поверхні, що включають розробку математичної моделі антени та її основних характеристик.

2. Теоретичні дослідження характеристик випромінювання та вхідного опору друкованих випромінюючих структур, що також включають розробку математичної моделі антени, її основних характеристик.

3. Розробка малогабаритної конічної спіральної антени з керованою поляризацією стосовно до рухомих об'єктів систем радіозв'язку.

4. Розробка друкованих антен для одночастотного й двочастотного режиму їх збудження з керованою поляризацією поля випромінювання.

5. Експериментальне дослідження характеристик випромінювання, та вхідного опору розроблених варіантів антен у діапазоні частот.

Об'єктом дослідження є випромінювання/прийом електромагнітного поля з фіксованою або, у загальному випадку, з довільною поляризацією.

Предметом дослідження є малогабаритні антени на основі конічного спірального випромінювача та друкованого випромінювача які здатні випромінювати/приймати поля з довільною поляризацією.

Методи дослідження. При рішенні поставлених теоретичних задач використовувалися методи математичного аналізу, математичної фізики, обчислювальної електродинаміки, методи загальної теорії антен і математичного моделювання.

Експериментальні дослідження розроблених антен проводилися з використанням методу виміру характеристик випромінювання антен в умовах відкритого полігона на основі розробленого автоматизованого вимірювального стенда.

Наукова новизна визначається наступними отриманими результатами:

1. Запропоновано й реалізовано метод керування поляризацією антен на основі чотиризаходного конічного спірального випромінювача й двовходового друкованого випромінювача, що дозволяє знизити рівень втрат, викликаних поляризаційною неузгодженістю, до 3 дБ.

2. Запропоновано нову математичну модель багатозаходового конічного спірального випромінювача, виконаного, у загальному випадку, на еліптичному конусі з довільним видом намотування спіралі, що поєднують як відомі, так і нові конструктивні варіанти антен. Це дозволило за рахунок спеціальних типів намотування зменшити габаритні розміри конічного спірального випромінювача.

3. Виявлено загальні закономірності й особливості формування конічним спіральним випромінювачем режимів випромінювання залежно від відносних геометричних параметрів антени, умов її збудження. Проведено кількісну оцінку характеристик, які можуть бути досягненні.

4. Проведено узагальнюючий якісний і кількісний аналіз властивостей друкованої антени, включаючи формування необхідної поляризації випромінювання та характеристик спрямованості антени залежно від геометричних і електричних параметрів випромінювача при одночастотному й багаточастотному збудженні.

Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблено оригінальні конструкції малогабаритних антен з керованою поляризацією випромінювання для рухомих об'єктів радіозв'язку у вигляді:

а) чотиризаходної конічної спіральної антени із пристроєм збудження й комутації;

б) двовходової друкованої антени, що працює як в одночастотному, так і двочастотному режимах, і схеми збудження.

2. Створено прикладне програмне забезпечення для розрахунку, автоматизованого аналізу й моделювання характеристик конічних спіральних антен довільної конфігурації.

3. Розроблено автоматизований вимірювальний стенд для збору, обробки й відображення результатів вимірювань характеристик антен.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень та розробки малогабаритних антен з керованою поляризацією впроваджені на підприємствах державної інспекції електрозв'язку України, у Національному центрі керування й випробувань космічних засобів, м. Євпаторія.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані особисто автором або при його особистій участі. Із сумісних публікацій використані тільки ті матеріали, у яких є вагомий внесок автора, включаючи: обґрунтування й постановку завдань теоретичних і експериментальних досліджень; розробку математичних моделей і обчислювальних алгоритмів; обробку результатів досліджень, їх фізичну інтерпретацію й узагальнення; формулювання висновків і практичних рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: III and IV International Conferences on Antennas Theory and Techniques (Sevastopol, 1999, 2003); 8, 10...13, 15 міжнародних конференціях “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, 1998, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005); International Conference “Modern Problem of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science” (Lviv-Slavsko, 2004); 7 і 8 міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (Харків, 2003, 2004); наукових семінарах кафедри радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.

Публікації. За матеріалами дисертаційних досліджень опубліковано 17 наукових праць, у тому числі 6 статей у науково-технічних журналах [1 - 6], 11 статей і тез доповідей у збірниках праць конференцій [7-17].

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Вона викладена на 189 сторінках основного тексту, з них 41 сторінка містять тільки рисунки. Список використовуваних джерел нараховує 137 найменувань на 14 сторінках, 5 додатків представлені на 46 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми досліджень, відображається зв'язок роботи із програмами й планами НДР, сформульовані мета і основні задачі досліджень. Визначено наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів, приводяться відомості про реалізацію і впровадження основних результатів роботи. Визначено особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, представлені відомості стосовно апробації і публікації результатів, структури дисертації.

Перший розділ носить, в основному, оглядовий характер. У ньому сформульовані та проаналізовані основні вимоги до антен рухомих об'єктів систем радіозв'язку, показана необхідність розробки антен з керованою поляризацією поля випромінювання. Проведено огляд і аналіз методів формування поля випромінювання з довільною поляризацією. Представлені загальні рівняння електродинаміки стосовно до розрахунку й аналізу електромагнітного поля криволінійними “тонкодротовими” випромінюючими структурами. Розглянуто основні співвідношення поляризаційних параметрів поля випромінювання антен у кругових і лінійному поляризаційних базисах й зв'язок між ними.

Встановлено, що найбільш складним завданням при проектуванні антен рухомих радіосистем є формування необхідної поляризаційної структури поля випромінювання з урахуванням характеристик радіоканалу. Показано, що врахування поляризаційних властивостей електромагнітного поля, що формується і приймається відповідними антенами, дозволяє підвищити ефективність радіосистем рухомих об'єктів.

Для оцінки поляризаційної неузгодженості антен і, як наслідок, якості зв'язку, запропонований критерій на поляризаційний коефіцієнт передачі з потужності , де -- вектор поляризації падаючої хвилі; -- вектор поляризації приймальної антени. Якщо , тоді “зв'язок задовільний”. Термін “задовільний зв'язок” означає, що з приходом хвилі з випадковими (довільними) параметрами еліпса поляризації, поляризаційний коефіцієнт передачі не впаде нижче 0,5.

На основі аналізу результатів попереднього розрахунку, запропоновано метод побудови малогабаритних антен з керованою поляризацією, суть якого полягає в наступному: для зниження рівня втрат, викликаних поляризаційною неузгодженістю до 3 дБ, необхідно й достатньо, щоб:

антена, за певних умов збудження, забезпечила випромінювання (узгоджений прийом) електромагнітного поля із чотирма основними видами поляризації (дві ортогональні лінійні й дві ортогональні кругові);

амплітудні ДС при цьому повинні мати у всіх режимах однакові параметри (напрямок максимуму, ширина за рівнем -3 дБ, рівень бічних і задніх пелюсток);

коефіцієнт еліптичності (КЕ) на краю ДС (за рівнем -3 дБ) для режиму кругової поляризації не повинен бути менше 0,7, а для режиму лінійної поляризації не повинен бути більше 0,2.

Виявлено, що основні вимоги до антен рухомих об'єктів, зокрема, по збільшенню широкосмуговості антенних систем за поляризацією випромінювання, вхідному опору, збереженню спрямованих властивостей антен, зменшенню їх габаритних розмірів, є суперечливими. Це вимагає комплексного підходу до проектування таких антен.

На підставі аналізу вітчизняного і закордонного досвіду розробок та досліджень слабоспрямованих широкодіапазонних і малогабаритних антен з довільною й, в окремому випадку, з керованою поляризацією випромінювання, обґрунтовано вибір перспективних типів антен на основі спіральної і друкованої випромінюючих структур. Розглянуто основні методи розрахунку характеристик таких антен, виявлені їхні переваги і обмеження.

Таким чином, на основі аналітичного огляду відомих літературних даних і результатів попереднього розрахунку сформульовані основні завдання досліджень і обґрунтовані методи їхнього вирішення.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей конічного спірального випромінювача (КСВ), розрахунку та аналізу його основних характеристик, опису принципу побудови антени з керованою поляризацією випромінювання на основі багатозаходної конічної спіралі.

Запропоновано математичні моделі, що описують геометричну конфігурацію багатозаходного спірального випромінювача, виконаного на конусі (див. рис. 1), що дозволяють узагальнити відомі варіанти регулярних (рівнокрокову і рівнокутну) спіралей на випадок нерегулярних спіралей, розташованих на конусі з еліптичною твірною. У результаті отримано співвідношення для геометричного опису спіралі в декартовій системі координат від змінного параметру б. Зокрема, для одного із заходів рівнокрокової і рівнокутної спіралей, виконаних на еліптичному конусі, відповідні вирази мають такий вигляд:

(1)

де ; h і в - відповідно, крок і кут намотування спіралі; - проекція початкового радіусу спіралі на площину поперечного перерізу; - половинний кут при вершині конуса; e - ексцентриситет еліпса поперечного перерізу еліптичного конуса; - параметричний кут, що змінюється в межах від 0 до 2рn; n - число витків спіралі.

Виявлено взаємозв'язок між кроком h і кутом в намотування спіралі:

, ,

де .

Рис. 1. Багатозаходовий конічний спіральний випромінювач

Модель конічної спіралі зі змінною щільністю намотування заснована на довільному завданні радіус-вектора r(б) (див. рис. 1), точніше його проекції с(б) на площину поперечного перерізу спіралі й, надалі, проектуванні його на конус із урахуванням геометричних параметрів конуса:

(2)

Для опису проекції радіуса-вектора с(б) (див. (2)) шляхом введення кутового коефіцієнта стиснення спіралі град, що характеризує змінну щільність намотування, і фіксованого периметру підстави конуса , отриманий вираз:

, (3)

де .

Таким чином, отримані математичні співвідношення для опису конічного випромінювача дозволили провести комплексний аналіз характеристик антени залежно від її геометричних параметрів, у тому числі, для граничних випадків плоскої град і циліндричної спіралі.

З використанням (1) - (3) на підставі методу векторного потенціалу:

,

де , щ - відносна діелектрична й магнітна проникність середовища; м - кругова частота; k - хвильове число вільного простору; r - відстань між елементом ds, що перебуває на осі випромінюючого провідника довжини S; - функція амплітудно-фазового розподілу струму вздовж випромінюючого провідника спіралі для якісного аналізу режимів випромінювання задавалася у вигляді моделі хвилі струму, яка біжить, а для кількісного розрахунку характеристик випромінювання й вхідного опору антени попередньо розраховувалася з використанням узагальненого методу наведених ЕРС. Розраховано складові поля випромінювання спіральної антени в лінійному і круговому поляризаційних базисах.

В результаті чисельного моделювання характеристик однозаходного конічного спірального випромінювача виявлено сім основних режимів випромінювання. Це режим двонаправленого поперечного випромінювання (режим малих рамок), режими односпрямованого осевого прямого й зворотного випромінювання, режими воронкоподібного випромінювання в прямому й зворотному напрямку, режими двонаправленого осевого (режим “вісімки”) і всеспрямованого випромінювання.

Рис. 2. Взаємозв'язок геометричних параметрів конічного спірального випромінювача а) і діапазонні властивості різних режимів випромінювання б)

Результати двопараметричної оптимізації у вигляді відповідних графіків представлені на рис. 2, а саме: взаємозв'язок геометричних параметрів випромінювача, точніше кута намотування спіралі від кута конусності, в окремому випадку, при ексцентриситеті еліпса поперечного перерізу конічної поверхні e=0 (круговий конус), а так само чисельні значення відносної смуги частот дf у межах існування відповідних виділених режимів.

На підставі наведених залежностей установлено, що при виборі кута конусності поверхні намотування спірального випромінювача в межах и₀=5...12 град і відповідному куті намотування витків спіралі, можна досягти максимальної широкосмуговості 40...80 % для режиму прямого осевого випромінювання (див. рис. 2б).

Кількісна оцінка характеристик конічного спірального випромінювача дозволила виявити наступне. Основний вплив на формування спрямованих властивостей вносить щільність намотування спіралі й кут конусності. Так, для режиму осьового випромінювання зміна щільності намотування приводить до зміни ширини ДС у межах 40…170 град, причому максимальна спрямованість досягається при високій щільності намотування. Оптимальним кутом конусності випромінювача можна вважати кут у межах 10...20 град, при якому забезпечується мінімальний рівень заднього випромінювання й максимальний коефіцієнт еліптичності поля випромінювання в осьовому напрямку. При зміні від -5 до 5 град активна складова вхідного опору в діапазоні від 500 до 2500 МГц зменшується від 350 до 270 Ом, при збереженні реактивної складової в межах -70 Ом. При кількості витків спіралі n=6 і град, активна складова дорівнює 200 Ом, а реактивна складова дорівнює нулю у всьому діапазоні частот. При побудові антени з керованою поляризацією на основі багатозаходного конічного спірального випромінювача, необхідно враховувати два фактори. З однієї сторони для забезпечення “чистоти” поляризаційної структури поля випромінювання, застосовується як можна більша кількість заходів.

Рис. 3. Еквівалентне подання резонуючої області випромінювача у вигляді рамки: а) із хвилею струму, яка біжить; б) із стоячою хвилею струму при квадратурному збудженні; в) і протифазному збудженні; г) чотиризаходної конічної спіральної антени

З іншого боку, для спрощення конструкції й зменшення загасання корисного сигналу в пристроях зсуву(фазообертачах) необхідно зменшувати кількість заходів. Ці вимоги є суперечливими, тому на основі компромісного рішення обраний чотиризаходний конічний спіральний випромінювач, тому що він дозволяє за певних умов збудження формувати як поле лінійної поляризації так і кругової, використовуючи для цього лише один фазообертач.

Запропоновано метод створення антени з керованою поляризацією випромінювання на основі чотиризаходного конічного спірального випромінювача. Суть методу пояснюється на рис.3. Задаючи амплітудно-фазовий розподіл уздовж еквівалентного резонуючого витка спіралі, як за рахунок збудження спіралі, так і за рахунок оптимального вибору конструктивних параметрів антени, можливе керування поляризацією випромінювання антени настільки, щоб при довільних параметрах еліпса поляризації електромагнітної хвилі, що приходить, поляризаційні втрати не перевищували 3 дБ.

Третій розділ присвячений розробці математичних моделей поля випромінювання, вхідного опору друкованого випромінювача, збуджуваного одним або кількома точковими джерелами у вигляді штирів, комплексному аналізу результатів чисельного моделювання характеристик випромінювання і вхідного опору. Для зниження рівня поляризаційних втрат до 3 дБ запропоновано метод побудови антени з керованою поляризацією випромінювання на основі друкованої антени (ДА).

Рис. 4. Двовходовий друкований випромінювач

На рис. 4 схематично зображений у декартовій системі координат двовходовий прямокутний друкований випромінювач, що описується наступними геометричними параметрами: а і b - відповідні сторони прямокутної пластини; t - товщина однорідної діелектричної підкладки з відносною діелектричною проникністю е; X₀ і Y₀ - координати точок збудження (A, B), відповідно розташованих на осях X і Y.

При розробці математичної моделі поля випромінювання враховувалися напрямок і амплітудно-фазовий розподіл магнітних струмів у друкованому випромінювачі, у результаті чого отримані вираження для компонентів поля випромінювання на основній поляризації у вигляді

(4)

і для кросполяризації поля випромінювання

(5)

, , , ( змінюється від 0 до 1) - коефіцієнт, що описує відносний рівень п'єдесталу при косинусоїдальному розподілі струму. Граничні випадки - косинусоїдальний розподіл струму (товстий діелектрик), - рівномірний розподіл струму (тонкий діелектрик).

В результаті чисельного моделювання характеристик друкованого випромінювача довільної конфігурації (4) - (5) виявлене наступне. Основний вплив на вигляд амплітудної ДС виявляє відстань між випромінюючими крайками. Залежно від того, скільки напівхвиль (m=0,1,2…) укладається між випромінюючими крайками, друкований випромінювач працює в одному або іншому режимі. Необхідно відзначити, що в режимах (0, 2n + 1) і (2m + 1,0) буде формуватися максимум у напрямку нормалі до випромінювача, у той час, як (0, 2n+2) і (2m+2, 0), максимум випромінювання в напрямку нормалі відсутній. Зміна розмірів випромінюючих крайок не впливає на режим випромінювання, але позначається на ширині ДС, так, при збільшенні розмірів випромінювача відбувається звуження головної пелюстки ДС, і навпаки. На широкосмугові властивості випромінювача істотний вплив виявляє товщина підкладки. Ширина смуги частот таких антен приблизно пропорційна квадрату резонансної частоти й обернено пропорційна квадратному кореню з . Збільшення товщини підкладки може привести не тільки до появи вищих типів поверхневих хвиль у зовнішній області, але й до збудження вищих типів хвиль у резонаторі друкованої антени. Ці хвилі є джерелом значних рівнів кросполяризаційної складової поля випромінювання. Розмір випромінюючої крайки також впливає на вхідний опір антени, так, збільшення розмірів випромінюючої крайки від до вимагає переміщення точки збудження від до , тобто точка живлення зміщується від центра випромінювача до його краю.

Вхідний опір у робочій смузі частот поводиться як опір паралельного контуру, однак на частоті, що відповідає максимуму активної складової вхідного опору, реактивна складова не обертається в нуль і дорівнює індуктивному опору штиря.

На основі отриманих результатів обґрунтовано метод створення ДА з керованою поляризацією поля випромінювання. Для цього щонайкраще підходить конструкція двоканального ДВ з каналами, що комутуються, тому що при двоточковому режимі збудження (рис. 4) ДВ випромінює (узгоджено приймає) як дві ортогональні кругові поляризації, так і дві ортогональні лінійні поляризації (див. табл. 1), при цьому основні параметри амплітудних ДС практично не міняються.

Таблиця 1. Залежність виду випромінюваної поляризації ДВ від амплітудно-фазового співвідношення між його входами

Вид поляризації	Амплітуда А	Фаза А	Амплітуда B	Фаза B	Осьовий КЕ
Лінійна	Горизонтальна	1	0°	0	X	0,05
	Вертикальна	0	X	1	0°	0,05
Кругова	Лівостороння	1	90°	1	0°	0,95
	Правостороння	1	0°	1	90°	0,95

Таким чином, задаючи амплітудно-фазове співвідношення між входами друкованого випромінювача, можна керувати поляризацією випромінювання антени настільки, щоб при довільних параметрах еліпса поляризації електромагнітної хвилі, що приходить, поляризаційні втрати не перевищували 3 дБ.

У четвертому розділі обґрунтовано метод вимірювання поляризаційних характеристик запропонованих антен, а також методика вимірювання характеристик випромінювання в умовах відкритого полігона, вхідного опору розроблених антен. Коротко описаний розроблений автором автоматизований вимірювальний стенд для збору, обробки й відображення результатів вимірів, конструкції антен і схеми їхнього збудження. Представлено результати експериментальних досліджень.

Проведені вимірювання і аналіз отриманих результатів чотиризаходної конічної спіральної антени(КСА) з керованою поляризацією дозволили установити такі закономірності:

- антена у всіх режимах збудження формує односпрямоване випромінювання для складових поля випромінювання E_и і E_ц. Зображені характерні ДС чотиризаходної спіральної антени в режимі прийому: а, б - кругової поляризації; в, г - лінійної поляризації.

У круговому базисі для компоненти E_лев також формується односпрямоване випромінювання в головному осьовому напрямку при режимі передачі лівосторонньої поляризації, при цьому E_пр подавлена не гірше, ніж на 25 дБ у цьому ж напрямку. У режимі передачі кругової правобічної поляризації максимум E_пр спостерігається також у головному осьовому напрямку, а E_лев подавлена не ніж, чим на 28 дБ. Вимірювана ДС у лінійному поляризаційному базисі проведено з використанням як допоміжної антени - настроєного симетричного вібратора, а в круговому поляризаційному базисі - з використанням атестованих циліндричних спіральних антен із протилежними намотуваннями спіралі.

Вхідний опір чотиризаходної конічної спіральної антени монотонно змінюється в діапазоні частот. Зокрема, зміну активної складової вхідного опору становить 180 ... 270 Ом, а реактивної, відповідно, -40 ...-100 Ом. Узгодження антени за допомогою трансформатора типу довгої лінії при коефіцієнті трансформації по опорі 1:4 і із симетруючим пристроєм дозволяє досягти значення КСХ у живильному фідері із хвильовим опором 50 Ом не більше 1,8.

Проведено вимірювання і аналіз характеристик випромінювання й вхідних характеристик досліджених друкованих антен, на підставі яких встановлено, що за рахунок зміни конструктивних параметрів друкованого випромінювача і схеми вибору поляризації:

- забезпечена можливість роботи у двочастотному режимі з можливістю перемикання поляризації по одному з каналів. Зображені характерні кутові залежності КЕ в режимі прийому кругової і лінійної поляризації. Зображені експериментальні ДС друкованої антени;

- можливе настроювання антени на мінімум КСХ, зокрема, на частотах 1,4 ГГц і 1,6 ГГц, КСХ склало не більше 1,48;

- можна розширити робочу смугу частот по вхідних характеристиках за рахунок додавання пасивних елементів; експериментально отримане розширення смуги частот з 8 % до 2 5 %;

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені два види антен: 1) малогабаритна конічна спіральна антена з керованою поляризацією випромінювання; 2) малогабаритна двочастотна друкована антена з керованою поляризацією випромінювання. Основні гранично досяжні характеристики й параметри розроблених антен представлені в таблиці 2. Згідно з табл. 2 розроблені антени можуть випромінювати як поле лінійної поляризації, так і близької до кругової з коефіцієнтом еліптичності не менш 0,94 у головному напрямку. Розв'язка по ортогональній поляризації у круговому базисі не гірше 27 дБ, у лінійному - не гірше 15 дБ. Хоча конічна чотиризаходна спіраль є більш широкосмуговою, однак вона не завжди може використовуватися на рухомих об'єктах, де потрібне використання не виступаючих антен.

Таблиця 2. Параметри малогабаритних антен з керованою поляризацією випромінювання

Параметри	Чотиризаходна конічна спіральна антена з екраном	Друкована антена
Робоча смуга частот, МГц	400…900	1380 …1420
Вид поляризації	кругова, лінійна	кругова, лінійна
Максимальний КЕ в осьовому напрямку	0,95	0,94
КСХ, не більше	4,0	2,0
Рівень паразитної поляризації при роботі з круговою поляризацією, дБ	-30	-27
Рівень паразитної поляризації при роботі з лінійною поляризацією, дБ	-15	-30

Друкована антена є вузькосмуговою і може бути встановлена практично на будь-якому рухомому об'єкті, якщо до неї не висуваються вимоги широкосмуговості.

У додатках представлені графічні результати багатопараметричної оптимізації двозаходного конічного спірального випромінювача, схема і програмне забезпечення вимірювального комплексу, програма розрахунку характеристик випромінювання багатозаходної конічної спіральної структури в пакеті MathCAD 2001; наведені копії документів про впровадження у виробництво результатів роботи.

Висновки

Дисертаційна робота є завершеним науковим дослідженням, в якій вирішується актуальна наукова задача зменшення поляризаційних втрат шляхом застосування антен з керованою поляризацією поля випромінювання для підвищення ефективності радіозасобів, застосовуваних на рухомих об'єктах. Мета та задачі роботи досягаються за рахунок більш повного використання потенційних властивостей електромагнітного поля. Це дало змогу знизить рівень втрат, викликаних поляризаційною неузгодженістю, до 3 дБ.

У дисертаційній роботі отримано такі основні результати:

1. Запропоновано метод побудови малогабаритних антен з керованою поляризацією, суть якого полягає в тому, що для зниження рівня втрат, викликаних поляризаційною неузгодженістю до 3 дБ, необхідно та достатньо, щоб:

антена могла випромінювати (узгоджено приймати) електромагнітне поле із чотирма основними видами поляризації (дві ортогональні лінійні і дві ортогональні кругові) за певних умов збудження;

амплітудні ДС при цьому повинні мати у всіх режимах однакові параметри (напрямок максимуму, ширина за рівнем -3 дБ, рівень бічних і задніх пелюстків);

коефіцієнт еліптичності на краю ДС (за рівнем -3 дБ) для режиму кругової поляризації не повинен бути менше 0,7, а для режиму лінійної поляризації не повинен бути більше 0,2.

2. Розроблено математичні моделі нерегулярних конічно-еліптичних спіральних випромінювачів з довільними геометричними параметрами, що дозволило розширити можливості побудови антен, які формують необхідну поляризацію поля випромінювання, задані спрямовані властивості малогабаритної антени в широкій смузі частот.

3. Проведено теоретичне дослідження характеристик конічного спірального випромінювача. Встановлено, що оптимальним кутом при вершині конічного спірального випромінювача можна вважати кут у межах 10...20 град, при якому забезпечується мінімальний рівень заднього випромінювання й максимальний КЕ поля випромінювання в осьовому напрямку. Для режиму осьового випромінювання зміна щільності намотування приводить до зміни ширини ДС у межах 40...170 град, причому максимальна спрямованість випромінювання досягається при високій щільності намотування спіралі.

Для одержання поляризації випромінювання, близької до кругової в широкому діапазоні частот, необхідно застосовувати дво- і N -заходні конічні спіральні антени, тому що поздовжній розмір випромінюючих областей у цьому випадку зменшується в N раз.

4. Виведено співвідношення для розрахунку і аналізу поля випромінювання, вхідного опору друкованого випромінювача з одновходовим (лінійна поляризація) і двовходовим (кругова поляризація) порушенням.

5. У результаті теоретичних досліджень встановлено, що, вибираючи діелектричну проникність підкладки =2,5, можна домогтися зменшення габаритних розмірів на 50 %. Подальше збільшення менш ефективно. Так, збільшення у два рази приводить до зниження габаритних розмірів лише на 25 %.

Експериментально доведена можливість розширення робочої смуги частот друкованого випромінювача за рахунок додавання пасивних елементів. Розширення смуги частот відбулося з 8 % до 25 %.

6. Розроблені варіанти конструкцій чотиризаходної конічної спіральної антени, а також двовходової друкованої антени, які дозволяють здійснювати керування поляризацією поля випромінювання.

7. Розроблено автоматизований вимірювальний стенд для вимірів характеристик антен в умовах відкритого полігона. Проведено комплексні експериментальні дослідження характеристик випромінювання антенами, їхнього вхідного опору.

8. Розроблено прикладне програмне забезпечення (MathCAD 2001), що дозволяє здійснювати розрахунки та моделювання характеристик друкованих і конічних спіральних антен.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Лобкова Л.М., Лукьянчиков А.В. Особенности формирования поля излучения печатных антенн в двухчастотном режиме // Электроника и Связь. - 2004. - т. 9, № 22 - с. 129-135.

2. Лукьянчиков А.В., Шестаков А.Г., Щебетовский В.Г. Экспериментальное исследование характеристик микрополосковых излучателей // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: Севастоп. гос. тех. ун-т. - 2005. - Вып. 68. - С. 122-126.

3. Лукьянчиков А.В., Шестаков А.Г., Щебетовский В.Г. Особенности поляризационной структуры поля печатных излучателей // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: Севастоп. гос. тех. ун-т. - 2004. - Вып. 60. - С. 193-197.

4. Лукьянчиков А.В., Комаров П.А., Редин М.И. Анализ влияния геометрических параметров конического спирального излучателя на характеристики излучения // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: Севастоп. гос. тех. ун-т. - 2003. - Вып. 47. - С. 126-130.

5. Проценко М.Б., Лукьянчиков А.В. Анализ геометрии коническо-эллиптических спиральных антенн // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: Севастоп. нац. тех. ун-т. - 2001. - Вып. 32. - С. 71-76.

6. Проценко М.Б., Степанов Л.Н., Лукьянчиков А.В. Анализ направленных и поляризационных свойств конической спиральной антенны // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: Севастоп. гос. тех. ун-т. - 1999. - Вып. 18. - С. 154-158.

7. Проценко М.Б., Лукьянчиков А.В. Широкополосная антенна с управляемой поляризацией излучения // Мат. 15-й Меж. Крымской конф. (КрыМиКо-2005), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 12-16 сент. 2005. - Севастополь, Украина. - 2005. - С. 388-389.

8. Лукьянчиков А.В., Комаров П. А., Редин М.И. Частотные свойства входного сопротивления нерегулярных конических спиральных антенн // Мат. 8-го Меж. Молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, 13-15 апреля 2004. - Харьков, Украина. - 2004. - С. 20.

9. Лукьянчиков А.В., Шестаков А.Г., Щебетовский В.Г. Математическая модель поля излучения прямоугольной микрополосковой антенны // Мат. 8-го Меж. Молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, 13-15 апреля 2004. - Харьков, Украина. - 2004. - С. 21.

10. Lukyanchikov A.V., Protsenko M.B. Multiparameter Optimization of a Conic Spiral Antenna with a Variable Winding Deseness // Proc. of the International Conf. “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science” (TCSET'2004). - Lviv-Slavsko, Ukraine. - 24-28 Feb. 2004. - P. 468-470.

11. Проценко М.Б., Лукьянчиков А.В., Исаенко А.И., Редин М.И. Принцип построения широкополосной антенны с вращающейся поляризацией на основе конического спирального излучателя // Мат. 13-й Меж. Крымской конф. (КрыМиКо-2003), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 8-12 сент. 2003. -Севастополь, Украина. - 2003. - С. 434-435.

12. Protsenko M.B., Lukyanchikov A.V., Troitskiy A.V., Komarov P.A. Modeling of the Multiple-arm Conical Spiral Antennas for various Applications // Proc. of IV-th International Conf. “Antenna Theory and Techniques”. - Sevastopol, Ukraine. - 9-12 Sept. 2003. - Р. 491-492.

13. Лукьянчиков А.В., Комаров П.А., Редин М.И. Анализ режимов излучения конических спиральных антенн // Мат. 7-го Меж. Молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, 22-24 апреля 2003. - Харьков, Украина. - 2003. - С. 40.

14. Проценко М.Б., Лукьянчиков А.В., Комаров П.А., Редин М.И. Оптимизация геометрических параметров конических спиральных антенн по критерию требуемой ДН // Мат. 12-й Меж. Крымской конф. (КрыМиКо-2002), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 9-13 сент. 2002. -Севастополь, Украина. - 2002. - С. 349-350.

15. Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Лукьянчиков А.В. Синтез заданной диаграммы направленности малоэлементной решетки, состоящей из эллиптически-конических излучателей // Мат. 11-я Меж. Крымской конф. (КрыМиКо-2001), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 10-14 сент. 2001. - Севастополь, Украина. - 2001.- С. 401-402.

16. Stepanov L.N., Lukyanchikov A.V. Radiation characteristics of a multiple-arm conical helical antennas with two points excitation // Proc. of III-rd International Conf. “Antenna Theory and Techniques” (ICATT-99), 8-11 Sept.1999. - Sevastopоl, Ukraine. -1999. - P. 353-354.

17. Проценко М.Б., Степанов Л.Н., Лукьянчиков А.В. Исследование поляризационных характеристик поля конических спиральных структур с заданной геометрией // Мат. 8-я Меж. Крымской конф. (КрыМиКо-98), “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 14-17 сент. 1998. - Севастополь, Украина. - 1998. - Т. 2. - С. 492-493.

Размещено на Allbest.ru