автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенны декаметрового диапазона для сетей наземного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами

На правах рукописи

ПАВЛОВ Вячеслав Владимирович

АНТЕННЫ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ СЕТЕЙ НАЗЕМНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 Ш

Москва-2012

005014512

Работа выполнена на кафедре радиотехники и связи Марийского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Рябова Наталья Владимировна

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Чебышев Вадим Васильевич

кандидат технических наук, доцент Чубинский Николай Петрович

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники

им. В. А. Котельникова РАН (ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН)

Защита состоится «12» апреля 2012 г. (в аудитории А-448) в [¡¿_ час. мин. на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д219.001.01 при Московском техническом университете связи и информатики по адресу: Москва, Авиамоторная, д. 8а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО МТУСИ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 8а. Совет по защите докторских и кандидатских диссертаций Д219.001.01 ФГОБУ ВПО МТУСИ.

Автореферат разослан «. К» МлРТй 2012 г.

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, доцент, кандидат технических наук

Р. Ю. Иванюшкин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время на фоне интенсивного развития высокоэффективных кабельных, радиорелейных и спутниковых систем связи, значение декамет-ровой (ДКМ) связи не теряет своей актуальности. Стоимость ДКМ радиоканалов на порядок ниже, а помехозащищенность в условиях конфликтных ситуаций выше в сравнении со спутниковыми каналами связи. ДКМ радиосвязь является единственным средством связи в областях, не имеющих инфраструктуры, в труднодоступных районах, поэтому является актуальным ее использование в ведущих отраслях экономики, таких как нефтяная и газовая промышленность, морское судоходство, аэронавигация и геология. Однако изменчивость состояния ионосферы, которая оказывает существенное влияние на условия распространения радиоволн ДКМ диапазона, приводит к необходимости диагностики состояния линии связи, определяя и прогнозируя в реальном времени ее основные характеристики, а по ним возможно оценивать и прогнозировать информационно-технические характеристики систем связи.

Внедрение систем диагностики ионосферы приводит к значительному повышению надежности декаметровой радиосвязи. В настоящее время в России и за рубежом построены сети вертикально-наклонных панорамных ионозондов.

В различные годы большой вклад в развитие систем зондирования ионосферы наземного и космического базирования внесли Н. А. Арманд, Э. Л. Афраймович, В. Д. Гусев, Н. П. Данилкин, В. А. Иванов, В. Е. Куницын, В. И. Куркин, Л. А. Лобачевский, Д. С. Лукин, Р. Г. Минуллин, А. П. Потехин, Н. В. Рябова, В. П. Урядов, Ю. Н. Черкашин. Вопросы синтеза частот, цифровой синхронизации приемопередающей аппаратуры в условиях пространственно-временной обработки сигналов обстоятельно рассмотрены В. В. Шахгильдяном, А. В. Пестряковым.

В направлении развития антенных систем большое внимание уделено исследованию электрического вибратора конечной длины, расположенному в свободном пространстве. Здесь можно отметить работы Е. Галлена, М. А. Леонтовича и М. Л. Левина, Г. 3. Айзенберга, Э. М. Журбенко, В. А. Неганова, Г. А. Ерохина, Д. М. Сазонова, Ю. В. Пименова, Р. Кинга, И. Г. Кляцкина, М. С. Неймана, Н. О. Соколова.

Однако для многих практически важных проблем необходим учет параметров подстилающей поверхности земли особенно в декамегровом диапазоне волн. Вопросы анализа влияния реальной почвы на электрический вибратор конечной длины исследованы значительно меньше. Среди более поздних работ следует отметить исследования, проведенные Б. Ю. Шередько, Ю. М. Сподобаевым, В. Б. Витевским, В. П. Кубановым, О. Н. Масловым, А. Л. Бузовым, В. А. Романовым.

Наиболее полно проблема анализа влияния земли на параметры вибраторных антенн исследована в диссертации М. В. Дмитриева. В этой работе анализ проводился на основе сведения задачи к интегральному уравнению типа Галлена, с использованием функции Грина двухслойного пространства.

Следует отметить, что в последние годы большое внимание уделяется вопросам излучения так называемых полосковых антенн, представляющих собой плоские вибраторы различной конфигурации, расположенные на диэлектрическом слое, то есть на границе раздела сред. Большой вклад в эти исследования внесены В. В. Чебышевым и Е. И. Нефедовым.

В настоящее время разработаны мобильные ионозонды, использующие линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) сигналы для диагностики радиолиний и частотного обеспечения радиосвязи. В адаптивных системах ДКМ связи, а также для научных исследований распространения радиоволн ДКМ диапазона на трассах различной протяженности и географической ориентации используются сети вертикально-наклонных панорамных ЛЧМ-ионозондов, покрывающих территорию страны.

Многопозиционность сети ЛЧМ ионозондов приводит к необходимости минимизации количества приемо-передающих позиций для покрытия требуемой области

пространства. При этом пространственно-избирательные свойства J14M ионозонда во многом определяются антенными системами.

Принципиально методика анализа пространственно избирательных свойств антенны сводится к решению внутренней и внешней задачи, которые заключаются в нахождении распределения токов в излучающей системе и определении по найденному токовому распределению электромагнитного поля антенны с учетом высоты размещения над поверхностью земли.

Исследование поля излучения антенной системы основывается на определении ее характеристик, в частности диаграммы направленности, и закономерностей ее изменения от конструктивных параметров антенной системы и подстилающей поверхности. Знание пространственно-избирательных характеристик антенных систем и их изменения позволяет определить их влияние на характеристики (показатели) многопозиционной сети JI4M ионозондов.

В условиях сильного влияния поверхности земли на пространственно-избирательные свойства антенных систем, характерных для ДКМ диапазона необходима разработка методик оценки характеристик направленности антенн, при работе по всему диапазону частот.

Оптимизация характеристик декаметровых антенн, используемых в вертикально-наклонных радиозондах, модернизация их конструкции - важная и актуальная задача, в первую очередь, требующая разработки методик и алгоритмов оценки пространственно-избирательных свойств направленности антенн с учетом высоты размещения над поверхностью земли при работе в широком диапазоне частот и разработки технических решений для повышения эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.

Таким образом, цели и задачи работы можно сформулировать следующим образом.

Цель работы заключается в исследовании характеристик ненаправленных антенн декаметрового диапазона для их оптимизации и модернизации конструкции с целью повышения эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1). Разработка методики оценки характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям.

2). Исследование направленности коротковолновых антенн для определения конструкции, обеспечивающей минимальную неравномерность усиления при наклонном зондировании ионосферы по всем азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли для линий наклонного радиозондирования различной протяженности и создание методик и программных средств для решения поставленных задач.

3). Анализ характеристик направленности и синтез конструкции дельта антенн для определения формы, обеспечивающей наибольшее усиление при вертикальном однопозиционном зондирования ионосферы с учетом размещения над реальной землей в широком диапазоне частот.

4). Создание макета антенной системы с антенным переключателем и устройствами широкополосного согласования для однопозиционного вертикального ионозонда и натурные измерения его характеристик.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории распространения радиоволн в ионосфере, электродинамики и теории поля, математического моделирования, натурного измерения характеристик устройств, программирование и расчеты на ЭВМ. При численном моделировании и исследованиях использованы прикладные пакеты программ Turbo Pascal, Tronan Macro Machine, MathCad, Micro Cap VII и MMANA-GALpro. Натурные эксперименты проведены с использованием Западноевропейской и Российской сети ЛЧМ-ионозондов.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием результатов, полученных путем численного моделирования, с результатам экспери-

ментальных исследований, выполненных в рамках данной работы и другими авторами; повторяемостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

1). Разработаны новые методики оценки характеристик направленности антенн для повышения эффективности работы системы радиозондирования ионосферных радиолиний различной протяженности и географической ориентации по заданным азимутальным направлениям в условиях размещения антенн над реальной поверхностью земли.

2). Разработан новый способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки, позволяющий проводить анализ полной картины пространственной диаграммы направленности антенны в условиях ее значительного излома.

3). Определены оптимальные конструкции и рекомендуемые высоты размещения антенн над землей для связи по всем азимутальным направлениям для реализации технологии наклонного радиозондирования ионосферы.

4). В результате численного моделирования и экспериментальных исследований определена оптимальная конфигурация и конструктивно реализована антенна, позволяющая повысить эффективность технологии однопозиционного вертикального радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.

5). Разработан новый алгоритм и программы определения оптимального азимутального направления, с точки зрения минимизации провалов направленного действия антенны, с учетом влияния поверхности земли по всей совокупности частот декаметрового диапазона.

Практическая ценность результатов работы

Результаты работы позволяют провести более детальные исследования и анализ форм диаграмм направленности антенн, как в верхней полусфере, так и при необходимости, в нижней полусфере, и оперативно определять направления максимальной интенсивности излучения с учетом влияния поверхности земли в условиях сильного излома диаграммы направленности по вертикальному и горизонтальному направлениям одновременно. Способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки позволяет эффективно определять азимутальные направления, в которых формируются максимальные боковые лепестки, что особенно актуально при исследовании направленных свойств фазированных антенных решеток в радиолокации.

Реализация научно-технических результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены ОАО «ММЗ» концерна «Алмаз-Антей». Результаты исследований также использованы в учебном процессе Марийского государственного технического университета. Использование результатов работы подтверждается соответствующими актами.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: проекты № 02-05-651204; 0602-16089, 06-02-08059, 05-07-90313; 10-02-00620; 09-07-00331-а; 10-07-00466, Федеральных целевых программ: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0233); «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проект № 2.1.1/3896).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI, XIII, XIV Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005, 2007, 2008), XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2005), Региональной XI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2005), на IX международной конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2008), на XXIII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2011), на XII международной конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 статей опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, из них 1 авторская статья, 3 статьи и 6 тезисов в сборниках Всероссийских и Международных научно-технических конференций, 2 зарегистрированные программы для ЭВМ в отделе регистрации программ РОСПАТЕНТа.

Личный вклад автора. В работах [1, 3,4, 6, 7, 9, 12, 13, 16] выполнена разработка методики оценки характеристик направленности антенн, способа интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки и приведены результаты численного моделирования и экспериментального исследования по данным методикам и способу. Результаты оптимизации конструкции дельта антенны и натурного измерения характеристик созданного макета антенной системы опубликованы в работах [2, 8, 10, 11]. Разработанная программа определения азимутальных направлений, обеспечивающих минимальные значения провалов направленного действия антенны и полученные для нее результаты приведены в работах [5, 14, 15]. Автором проанализированы полученные результаты и сделаны основные выводы. Печатная работа [5] написана автором самостоятельно.

Основные положения, выносимые на защиту:

1). Методики численного моделирования и экспериментального исследования характеристик направленности антенн с использованием результатов панорамного наклонного зондирования сети радиолиний для обеспечения связи по заданным азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли.

2). Способ представления объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки, позволяющий проводить качественный и количественный анализ особенностей направленности антенны одновременно по азимутальным и меридиональным направлениям.

3). Результаты численного моделирования и экспериментального исследования направленности антенн декаметрового диапазона для вертикально-наклонного зондирования ионосферы по заданным азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли для радиолиний различной протяженности и географической ориентации с целью разработки рекомендаций по их использованию.

4). Результаты оптимизации конструкции дельта антенны и натурного измерения характеристик созданного макета антенной системы с антенным переключателем и широкополосными согласующими элементами для реализации режима вертикального однопозиционного радиозондирования.

5). Результаты определения азимутальных направлений, обеспечивающих минимальные значения провалов направленного действия антенны при различных высотах подъема над землей для всей совокупности частот декаметрового диапазона по разработанным алгоритму и программам.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Список литературы включает 123 наименования. Работа изложена на 186 страницах текста и включает 122 рисунка и 12 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и основные задачи диссертации; определена научная новизна, практическая ценность выполненных исследований. Приведена структура диссертации, форма апробации и внедрения результатов.

В первой главе рассмотрены методы и средства повышения эффективности технологий радиозондирования ионосферы. Сложные условия распространения и постоянно меняющаяся помеховая обстановка требуют для эффективной работы различных РТС ДКМ диапазона сведений о текущих условиях распространения радио-

волн и помеховой обстановки, по данным которых меняются параметры систем (производится их адаптация). Поэтому в состав современных адаптивных РТС включаются технические средства зондирования ионосферы и анализа загруженности радиоканалов ДКМ диапазона.

Рассмотрены особенности распространения декаметровых радиоволн, в соответствии с которыми необходимо обеспечение перекрытия всего декаметрового диапазона. В условиях размещения над поверхностью земли, как полупроводящей среды, рассмотрено ее влияние на диаграмму направленности антенны.

ЛЧМ методы зондирования ионосферы для диагностики прохождения радиоволн интенсивно развиваются с переходом на цифровые методы как управления, так и использования в качестве зондирующего сигнала. В связи с необходимостью увеличения количества приемо-передающих пунктов для организации сети ЛЧМ ионозон-дов для покрытия территории России необходимым становится обеспечение работы по всем азимутальным направлениям. Пространственно избирательные свойства в приемо-передающей аппаратуре задает антенная система. Поэтому необходимым является исследование параметров направленности антенн, используемых для связи в декаметровом диапазоне.

В соответствии с длиной радиолиний введена их классификация по углам прихода для односкачкового и двухскачкового распространения радиоволн. Наиболее вероятностные углы прихода в зависимости от длины радиолинии: до 300 км в секторе углов от 50° до 90°; 300 + 2000 км в секторе углов от 15° до 50°; 2000 + 3000 км в секторе углов от 5° до 15°; 3000 + 6000 км в секторе углов от 4° до 13° (двухскачковый режим).

Рассмотрены конструктивные особенности и некоторые характеристики ряда антенн, используемых в декаметровом диапазоне: простые антенны (симметричные вибраторы, диапазонные вибраторы Надененко, горизонтальный широкополосный диполь, петлевой вибратор Пистолькорса, вертикальный широкополосный несимметричный вибратор), синфазная горизонтальная диапазонная антенна, ромбические горизонтальные антенны, антенна бегущей волны, логопериодическая антенна.

В условиях организации сети ЛЧМ ионозондов для покрытия территории России необходимо обеспечение связи по всем азимутальным направлениям. В связи с этим рассмотрен ряд ненаправленных антенн. Приведены конструктивные параметры и объемные диаграммы направленности в верхней части декаметрового диапазона исследованных в работе антенн: широкополосного горизонтального диполя АН-710, диполя Надененко, плоского петлевого вибратора сложной формы Круг К-8, антенны Shakespeare Style 390, дельта антенны, горизонтального ромба РГ-5. Для сравнения с указанными антеннами также рассмотрены горизонтальные ромбы РГ-40 и РГ-40-1, обладающие высокой направленностью вдоль оси большей диагонали под низкими углами прихода.

Значительное влияние на излучение KB антенн оказывает поверхностный слой земли, который по своим электрическим параметрам относится к полупроводящим средам. Поле, излучаемое антенной, и поле, отраженное от поверхности земли, складываются как сумма, причем фаза отраженной волны поворачивается на 180° и, в зависимости от высоты, даже для симметричного полуволнового вибратора получается двухлепестковая форма диаграммы направленности (ДН) в меридиональном сечении при высоте 0,5-Л и четырехлепестковая структура при высоте Я.

Кроме этого, диапазон рабочих частот радиозондирования составляет от 3 МГц до 30 МГц и размеры конструкции антенн по сравнению с текущей рабочей длиной волны будут превышать 1,5-Я, в верхней части рабочего диапазона, что, как известно, приводит к многолепестковой структуре ДН также в азимутальной плоскости из-за появления при такой длине противофазных участков в функции распределения тока вдоль вибратора.

В условиях размещения антенны над реальной землей невозможно избавиться от многолепестковой структуры при работе в широком диапазоне частот, но путем численных расчетов возможно достижение компромисса с целью обеспечения мень-

шей неравномерности изменения направленности и большей средней направленности для радиолиний различной протяженности.

Форма объемной диаграммы направленности будет многолепестковой, как в азимутальном, так и в меридиональном направлениях. Необходимость исследования направленности антенн для обеспечения работы сети по всем азимутальным направлениям для выявления оптимальной конструкции с целью обеспечения в заданном секторе углов прихода минимально возможного спада направленного действия антенны в таких условиях требует расчета и оценки характеристик направленности совокупности направлений в верхней полусфере пространства для различных конструкций антенн для определения рекомендуемой антенны.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приведены методики расчета характеристик направленности антенн для обеспечения эффективной работы в сети ЛЧМ ионозондов.

Проведен анализ используемых систем автоматического проектирования СВЧ области для моделирования и расчета параметров и характеристик как устройств СВЧ, так и антенн.

При расчетах влияния земли на параметры вибраторных антенн широко используется метод на основе сведения задачи к интегральному уравнению типа Галлена, с использованием функции Грина двухслойного пространства. Наличие неизвестных постоянных в правой части этого уравнения в ряде случаев существенно усложняет решение, например при анализе излучения электромагнитных волн системой вибраторов, с учетом их взаимного влияния, а так же при исследовании параметров вибратора, частично погруженного во вторую среду. Решение таких задач на основе уравнений типа Галлена получается весьма громоздким. Например, в работе М. В. Дмитриева основное внимание уделялось расчету распределения тока и входного сопротивления одиночного вибратора.

Особенностью антенн декаметрового диапазона является широкое использование тонкопроволочных излучающих структур. Использование тонкопроволочных структур при создании и использовании декаметровых антенн позволяет применять аппарат интегральных уравнений, решаемых методом моментов.

Под решением задачи возбуждения понимается определение функции амплитудно-фазового распределения тока вдоль излучающих проводников, интегральное уравнение которого имеет вид:

àsds J ^/uje

где ï[s ) - искомая функция распределения комплексного значения тока вдоль излучающего проводника s'; к = 2к/Л - волновое число свободного пространства;

„-¡м

' / \ в

À - длина волны электромагнитного колебания; G(R) =--функция Грина сво-

R

бодного пространства; R - расстояние между точками наблюдения и интегрирования s, s'\ sn, s0 - единичные орты в направлении оси проводника в точках наблюдения и

интегрирования s, s' соответственно; Ет0 - тангенциальная составляющая электрического поля, возбуждаемого источником, расположенным либо на поверхности излучающего проводника, либо вблизи его; е, fi - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

В операторной форме (1) может быть представлено в виде:

L0P {l(s))= Ег0 или I(s) = L£p{eJ, (2)

Ж

k2G(R)(s0s0)--

где Lqp - интегральный оператор, обратный оператору Lop определенному на мно-

жестве точек, принадлежащих поверхности излучающего проводника.

Решение интегрального уравнения методом моментов включает три операции:

1) разложение искомой функции I(s) в ряд по базисным функциям /„ в области определения оператора Lop',

2) установка системы весовых функций и сведение интегрального оператора к матричному уравнению;

3) решение матричного уравнения.

В связи с тем, что излучающие проводники (система излучающих проводников) могут быть представлены как совокупность излучающих сегментов, некоторым образом расположенных в пространстве, в качестве базисных удобнее всего применять функции подобластей ztr.

Наиболее эффективным является выбор базисных и весовых функции одного вида, так называемый метод Галеркина. При этом использование кусочно-синусоидального базиса позволяет достичь наибольшего сокращения временных затрат. Такая система базисных функций имеет вид (базис Ричмонда)

Приведенные примеры базисных и весовых функций являются наиболее используемыми, но не единственно возможными.

При разложении в ряд искомой функции амплитудно-фазового распределения тока по системе базисных функций, интегральное уравнение с использованием сис-темь дай сводится к матричному

где [z„„, ]- матрица собственных и взаимных сопротивлений; [/Д [i/,,,]-соответственно векторы-столбцы токов и потенциалов; п, те {1,2, 3, ..., N}\ N - количество излучающих проводников или сегментов одного излучающего проводника.

Решение системы линейных алгебраических уравнений (4) производится численно с использованием либо стандартных программ обращения матриц полных сопротивлений, либо специализированных программ, учитывающих особые свойства этой матрицы.

В результате решения интегрального уравнения или их системы находится токовое распределение по проводникам шпенны !(z ) (г - продольная координата вдоль оси проводника). По токовому распределению, завершая расчёт антенны, достаточно легко рассчитываются такие характеристики, как входное сопротивление, коэффициент отражения, коэффициент стоячей волны (КСВ), диаграмму направленности и коэффициент усиления.

Реализация алгоритмов решения методом моментов позволяет решить внутреннюю и внешнюю задачи, результатами которых является получение объемной диаграммы направленности для решения задач пространственной избирательности и зависимости изменения комплексного входного сопротивления для решения задач согласования. Одной из программ, в которой реализован расчет по методу моментов, является программа MMANA-GALpro, которая широко использовалась при численном моделировании характеристик направленности антенн.

Разработана новая методика получения характеристик направленности антенн для анализа эффективности систем радиозондирования по всем азимутальным направлениям, которая позволяет путем численных расчетов выявить оптимальную конструкцию в заданном секторе углов прихода.

Для возможности сравнения характеристик направленности и определения оптимальной конструкции и оптимальной высоты размещения над реальной землей

, при s е As,

при j £ Д.г.

(3)

(4)

необходимо при различных высотах размещения построить зависимости: среднего значения коэффициента направленности (КН) антенны относительно изотропного излучателя £>ср в дБи от частоты; максимального значения КН Дпах в дБи, характерного для верхней части рабочего диапазона, от частоты; минимального значения КН Dmin в дБи, обусловленного интерференцией волны, излучаемой антенной, с волной, отраженной от земли, от частоты; процентного значения направлений объемной диаграммы направленности, меньше Dcp, N(D>Dcr) в дБи от частоты.

В виду многокритериальное™ оценок для выявления явного экстремума по перечисленным критериям введена целевая функция, представляющая собой сумму с весовыми коэффициентами

F = 0,4ЛГ] + 0,05ЛГ2 + 0,4К} + 0,15-К,. (5)

где Ki - относительная оценка £>min; Кг - относительная оценка Дм*; К\ - относительная оценка N(D>Dcp); Kt - относительная оценка £>ср-Относительные оценки рассчитываются по формуле

а -а кк>>

max "min

где а, - текущее значение параметра; а™,, - минимальное значение параметра из всей совокупности сравниваемых значений; атах - максимальное значение параметра из всей совокупности сравниваемых значений.

Оптимальной считается конструкция антенны, которая имеет наибольшее значение целевой функции на данной высоте расположения над поверхностью земли.

Значения отсчетов направленности по всей верхней полусфере пространства через 1° (по азимуту от 0° до 359°, по зенитному направлению от 0е до 90е) рассчитывались в программе MMANA-GALpro, преобразование формата данных проводилось с помощью программы разработанной в Turbo Pascal, обработка преобразованных данных и построение графиков изменения анализируемых величин выполнялись в табличном процессоре MS Excel.

В связи с большим количеством обрабатываемых отсчетов и выполнением расчетов, как на разных частотах, так и на разных высотах, использована программа Tronan Macro Machine для получения отсчетов объемной диаграммы направленности в верхней полусфере в программе MMANA-GALpro в автоматическом режиме без участия оператора. Реализована программа «The radiation patterns of an antenna in MMANA for Tronan Macro Machine» зарегистрированная в отделе регистрации программ для ЭВМ, баз данных и топологий ИМС Федерального института промышленной собственности РОСПАТЕНТа [15].

В работе предложен новый способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки, позволяющий получить характеристику направленности антенн более информативную с точки зрения определения направлений, имеющих большие значения КН.

В условиях многолепестковости объемной диаграммы направленности наиболее удобным и информативным для проведения анализа является представление трехмерной картины ДН в цилиндрической системе координат, где по углу откладывается реальное направление по азимуту, по радиусу - углы прихода сигнала, которые при необходимости легко пересчитываются в дальность по поверхности земли, а значение КН от - 60 дБи до + 20 дБи отображается в виде 256-цветной точки в формате Rainbow.

Трехмерные цветные сферические развертки ДН дают более наглядное представление полной картины объемной диаграммы направленности антенны и являются удобным инструментом для анализа изменения объемной диаграммы направленности в целом.

Построение трехмерной цветной сферической развертки состоит из трех этапов:

1) расчет значений КН с помощью возможностей программы MMANA-GALpro последовательно для всех антенн на требуемых частотах и необходимых высотах размещения над землей;

2) обработка полученных значений КН для определения границ единой цветовой шкалы отсчета по всей совокупности;

3) последовательная обработка полученных значений КН для заданной антенны на данной частоте при определенной высоте подвеса над землей и построение цветной трехмерной сферической развертки ДН с помощью возможностей программы MathCad или аналогичной.

Разработана новая методика оценки направленности антенн путем обработки экспериментально полученных ионограмм вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы с целью получения сравнительных характеристик направленности антенн и зависимости изменений отношений сигнал-шум (SIN) от частоты, характеризующих качество приема. Она включает пять этапов:

1). Очистка ионограммы и выделение полезного сигнала из шума в программе Ionogram Explorer (разработана в МарГТУ). В основу комплексного алгоритма очистки ионограммы включены базовые последовательности методов:

- обнаружение и удаление шумовых спектров;

- пороговая обработка;

- удаление мелких объектов и восстановление треков мод на ионограмме.

2). Получение значений SIN в виде файла исходных данных.

3). Преобразование файла исходных данных в массив для обработки отсчетов в табличном процессоре MS Excel.

4). Формирование временной и частотной оси, обработка и построение графиков зависимости SIN от частоты и времени суток.

5). Построение сравнительных графиков и анализ полученных результатов.

При использовании предложенной методики полагается известным азимутальное направление и угол прихода зондирующего сигнала в точку приема, которые определяются расположением конструкции приемной антенны и известным расстоянием до передатчика ЛЧМ сигнала по поверхности земли.

Моделирование характеристик направленности антенн в заданном направлении проводилось с учетом их реальной высоты размещения над землей на частотах от 3 МГц до 30 МГц с шагом 1 МГц. Для исключения влияния характеристик направленности передающей антенны, использована разность между полученными значениями направленности приемных антенн AD на исследуемых частотах.

Аналогичным образом для исключения влияния характеристик направленности передающей антенны и потерь в ионосфере при отражении использована разность между полученными экспериментальными значениями SIN приемных антенн AS/N на частотах от 3 МГц до 30 МГц с шагом 1 МГц, что должно быть эквивалентно изменению AD при предположении равенства уровня шумов на входе приемных антенн.

В третьей главе подробно рассмотрены вопросы техники эксперимента и приведены результаты численного моделирования.

Для приема и передачи ЛЧМ-сигналов в режиме диагностики ионосферы и ДКМ радиоканалов, а также служебной информации использованы приемо-передающие и приемные станции ЛЧМ ионозондов, в том числе разработки МарГТУ. Приведены внешний вид и технические характеристики приемо-передающей и приемной станции ЛЧМ ионозонда. Рассмотрен процесс получения, накопления и обработки данных в приемном комплексе наклонного ЛЧМ-ионозонда.

Использование ЛЧМ ионозонда позволяет получать оценку S/N, которая связана с изменением КН антенны в заданном азимутальном направлении при известных углах прихода. Для работы цифровых систем ДКМ радиосвязи важное значение имеет оценка параметров радиолиний. К таким параметрам относится частотная зависимость SIN, по которой определяется необходимая мощность связного сигнала. Рассмотрены три варианта оценки необходимой мощности связного сигнала для достижения равенства SIN системы связи аналогичному SIN для ЛЧМ ионозонда.

По разработанной методике получения характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям в квазивертикальном направлении исследовано семь конструкций дельта антенн с основанием 12 м и штатная антенна АН-710. Целевые функции для четырех лидирующих вариантов конструкций дельта антенн и антенн АН-710, АН-710 с разворотом плеч на 120 градусов и диполя Надененко приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости значений целевой функции от высоты размещения над поверхностью земли от 20 до 32 м

По результатам численного моделирования и исследования направленности конструкций дельта антенн определена оптимальная - размерами 12 х 3 м. Выработаны рекомендации. Антенну следует размещать на высоте 26 м над поверхностью земли. Использование конструкции в виде дельта антенны позволяет избавиться от провалов КН антенны Д™, с -179,1 дБи до -58,58 дБи, увеличить Оср с -5,7 дБи до -3,79 дБи, но при этом на 5,28 % уменьшается Л/ф>0ср) в секторе углов прихода от 50° до 90° в совокупности по всем частотам от 3 МГц до 20 МГц с шагом 1 МГц по сравнению с антенной АН-710.

По предложенному способу интерпретации объемной диаграммы направленности построены трехмерные сферические развертки ДН для всех вариантов дельта антенн и для диполя Надененко на всех высотах размещения над землей на частотах от 1 МГц до 20 МГц с шагом 1 МГц для горизонтальной и вертикальной поляризаций.

По результатам определения рекомендуемой конфигурации дельта антенны изготовлен действующий макет антенной системы с широкополосными согласующими элементами для натурного измерения его характеристик. Внешний вид широкополосных согласующих трансформаторов и дроссельного «балуна» приведен на рис. 2, о и 6 соответственно.

а) б)

Рис. 2. Широкополосные согласующие элементы: а) согласующий трансформатор; 6) дроссельный «балун»

Использованием дроссельного «балуна» в антенной системе непосредственно на конце коаксиального кабеля перед согласующим трансформатором удалось получить требуемое значение КСВ не более 2 в исследуемом диапазоне частот.

Синтезирована схема антенного переключателя для однопозиционного вертикального зондирования ионосферы. Для предотвращения прохождения сигналов управления на вход приемника и на антенну использованы четырехзвенные фильтры верхних частот.

В результате моделирования получены его передаточные характеристики в различных режимах работы по действующему значению напряжения:

- потери при работе в режиме приема - 8 дБ;

- потери в режиме передачи - 7 дБ;

- защита входа приемника в режиме передачи зондирующего сигнала - 130 дБ. Использование двух четырехзвенных ФВЧ, включенных перед антенной и перед

приемником обеспечивает подавление управляющих сигналов соответственно на 160 дБ и 140 дБ. Изготовлен макет антенного переключателя для натурного измерения характеристик. Макет образца печатной платы и конструкции блока АП приведен на рис. 3;_

") б) Рис. 3. Макет образца печатной платы (а) и конструкции (6) блока АП

Четвертая глава посвящена натурным и численным экспериментам по апробации предложенных методов и устройств.

По результатам проведения натурных экспериментов получены ионограммы с помощью ЛЧМ ионозонда на трех радиотрассах: Кипр - Йошкар-Ола, Иркутск -Йошкар-Ола, Норильск - Йошкар-Ола. Ионограммы принимались с периодом 5 минут для радиотрассы Кипр - Йошкар-Ола и с периодом 6 минут для остальных радиотрасс. Всего было получено около 1000 ионограмм. Для каждой ионограммы получены значения SIN в частотном диапазоне зондирования. Объем экспериментальных данных составил 256000 отсчетов. Эксперименты проводились 6, 7 и 12 августа 2008 г.

Обработка ионограмм проводилась согласно разработанной и описанной ранее методике. Усредненные значения SIN от частоты для различных антенн по трассе Кипр - Йошкар-Ола приведены на рис. 4.

8 10 12 14 16 1В 20 22 ■ i к -'.т., .iiuh in ; ■ • АН-170

а)

ш ki У" Vi«

^гёгГ1

—№— rH -íml+í-

!4 26 28 / МГц * Дкгюль Наденеико

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 /, МГц * Диполь Нвдсниикн ■ Долив Uli пиит ■ Кр>Т К-8

Рис. 4. Зависимости усредненных значений SIN от частоты для антенн: а) ВШ Shakespeare Style 390, ШПД АН-710, ДН; б) ДН, дельта антенна, Круг К-8

Анализ полученных средних значений SIN в частотном пределе диапазона зондирования результатов показывает:

• на трассе Кипр - Йошкар-Ола - среднее значение SIN для антенны ВШ Shakespeare Style 390 составило 22,65 дБ, выигрыш на 2,5 дБ обеспечил диполь

Надененко, выигрыш на 0,3 дБ - ШПД АН-710, выигрыш на 4,3 дБ - дельта антенна, выигрыш на 3,6 дБ - антенна Круг К-8;

• на трассе Иркутск - Йошкар-Ола - среднее значение S/N для антенны ВШ Shakespeare Style 390 составило 12,74 дБ, выигрыш 1,5 дБ обеспечил диполь Надененко, выигрыш на 3 дБ - ШПД АН-710;

• на трассе Норильск - Йошкар-Ола - среднее значение SIN для антенны ВШ Shakespeare Style 390 составило 8,7 дБ, выигрыш на i ,5 дБ обеспечил диполь Надененко, ухудшение на 0,5 дБ - ШПД АН-710.

По разработанной методике проведена оценка направленности антенн по результатам моделирования и по экспериментально полученным ионограммам.

В экспериментах на радиотрассе Кипр - Йошкар-Ола в качестве приемных антенн использованы все пять перечисленных выше типов антенн. Построены графики зависимостей изменения разности направленного действия AD приемных антенн от частоты по результатам моделирования в программе MMANA (сплошная кривая) и экспериментально полученные разности AS/N от частоты по полученным ионограммам (в виде интервальных оценок) для пар приемных антенн Круг К-8 - вертикальный штырь (ВШ), Круг К-8 - широкополосный диполь АН-710, Круг К-8 -диполь Надененко, ВШ - широкополосный диполь АН-710 (ШПД), ВШ - диполь Надененко (ДН), широкополосный диполь АН-710 - диполь Надененко (на рис. 5 приведены для примера графики для пар антенн Круг К-8 - ДН (а) и ВШ - ШПД (б)).

ШЗЁЁШе ^тТГ

ЕЕЕЕЕ

ш

14 16 18

ага

» 2» /.МГц

а) б)

Рис. 5. Зависимости AS/N и AD от частоты на трассе Кипр - Йошкар-Ола для антенн: а) Круг К-8 - ДН; б) ВШ - ШПД

Аналогичные графики зависимостей построены для пар приемных антенн Дельта антенна - ВШ на радиотрассе Кипр - Йошкар-Ола; ВШ - широкополосный диполь АН-710 (ШПД), ВШ - диполь Надененко (ДН), широкополосный диполь АН-710 -диполь Надененко по трассам Иркутск - Йошкар-Ола и Норильск - Йошкар-Ола.

Средние коэффициенты корреляции между результатами моделирования в программе MMANA изменения разностей КН антенн AD в зависимости от частоты и экспериментально полученными отсчетами разностей значений ЛS/W на разных частотах составили: по радиотрассе Кипр - Йошкар-Ола - 0,35; по радиотрассе Иркутск -Йошкар-Ола - 0,29; по радиотрассе Норильск - Йошкар-Ола - 0,24.

В общем случае результаты моделирования AD от частоты удовлетворяют области интервальных оценок экспериментальных величин AS/N. Некоторое расхождение экспериментальных и расчетных значений в диапазоне частот 10 -г 14 МГц можно объяснить большим разбросом уровня станционных помех.

По синтезированной электрической принципиальной схеме антенного переключателя изготовлен макет. Он работает в диапазоне частот 2-20 МГц и обеспечивает подавление сигнала на 55 дБ на входе приемника в режиме передачи и ослабление на 5 дБ в режиме приема сигнала. КСВ входа передатчика АП в режиме передачи составляет величину 1,3, а КСВ входа приемника АП в режиме приема достигает значения равного 2,4.

По результатам натурных измерений макета дельта антенны с широкополосными согласующими устройствами с помощью измерителя комплексных коэффициентов переда-

чи Р4-37 получены значения коэффициентов отражения по мощности не более 20 % в диапазоне частот от 1.5 до 20 МГц. Для уменьшения коэффициента отражения по мощности до 10 % рекомендуется использовать дополнительно дроссельный «балун».

По разработанной методике промоделированы и получены характеристики направленности КВ антенн для зондирования ионосферы по всем азимутальным направлениям в условиях размещения над реальной землей для радиолиний различной протяженности для решения сетевых задач.

Графики зависимости значений целевой функции от высоты размещения над поверхностью земли для радиолиний различной протяженности приведены на рис. 6 (до 300 км - углы прихода 50° -г 90°; от 300 км до 2000 км - углы прихода 15° -г 50°).

Рис. 6. Графики зависимости значений целевой функции от высоты размещения над поверхностью земли для радиолиний различной протяженности

Для определения оптимального азимутального направления антенны для работы в режиме J14M зондирования ионосферы разработана программа «The optimum orientation of an antenna. Ver. 1.0» [16]. Результаты работы программы, в частности примеры зависимости целевой функции fgo.¡ от высоты размещения над поверхностью земли RezgojB метрах и зависимости максимального d4o.v, среднего d50.v и минимального d6o.v направленного действия антенны в дБи от азимутального направления у/ в градусах по всей совокупности частот от 3 МГц до 30 МГц с шагом 1 МГц в секторе углов прихода от 18 до 43 градусов (радиотрасса длиной 800 км) для горизонтальной поляризации на оптимальной высоте размещения над поверхностью земли 18 м для антенны АН-710 приведены соответственно на рис. 7 и 8.

i

•

Рис. 7. Зависимости значений целевой функ- Рис. 8. Зависимости максимального (140д1„

ции Гйо.) от высоты размещения среднего (15оу и минимального (1бо.ч,

над поверхностью земли Яегйи в метрах для направленного действия антенны в дБи

горизонтальной поляризации от азимутального направления в градусах

Проведен анализ влияния параметров земли на диаграмму направленности антенны АН-710 по оптимальным азимутальному направлению и высоте размещения над поверхностью земли в секторах углах прихода в соответствии с классификацией по результатам численного моделирования.

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы.

Основные результаты и выводы

Совокупность результатов выполненной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи оптимизации направленности и конструкций антенн

декаметрового диапазона для повышения эффективности вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы Земли широкополосными радиосигналами.

1). Разработана методика оценки характеристик направленности антенн для работы по всем азимутальным направлениям в условиях многолепестковости из-за влияния поверхности Земли и созданы программные средства для решения поставленных задач.

2). В условиях влияния подстилающей поверхности земли по разработанной методике исследовано 11 типов антенн и разработаны рекомендации по их использованию в системе радиозондирования ионосферы:

• для радиолиний протяженностью до 300 км в квазивертикальном режиме зондирования предпочтительны следующие типы антенн:

- РГ-5 на высоте размещения над поверхностью земли 16 м при горизонтальной поляризации, ЩЪДср) = 57,85 %; Др = -2,39 дБи; Д„т+Д„« = -50,87 + +7,04 дБи;

- дельта антенна на высоте размещения над поверхностью земли 26 м при вертикальной поляризации, МТЬДр) = 59,39 %; Дз>=-3,79 дБи; ДШ,+Д[Ш=-58,58 + +6,79 дБи.

При этом стандартной антенной АН-710 в лучшем случае на высоте размещения над поверхностью земли 16 м обеспечивается ЩЪОср) = 66 %; Дср = -5,67 дБи; Дш„+Д„,х = -177,47 + +9,82 дБи;

• для радиолиний протяженностью от 300 до 2000 км предпочтительны типы антенн:

- вертикальный штырь на высоте размещения над поверхностью земли 38 м при вертикальной поляризации, МХ)>Др) = 58,54 %; Др = -0,81 дБи; 0,ш„+0„ш = = -33,82+ +5,34 дБи;

- РГ-5 на высоте размещения над поверхностью земли 36 м при горизонтальной поляризации, Лф>£>Ср) = 58,66 %; Оср = -2,46 дБи; ДТШ+Д1Ю = -47,61++8,79 дБи.

- АН-710 с углом разворота плеч на 120 градусов на высоте размещения над поверхностью земли 35 м при вертикальной поляризации, И(ГУ>Оср) = 57,85 %; Осг = -2,8 дБи; Д11Ш+Дшх = -47,03 ++11,5 дБи;

При этом стандартной антенной АН-710 в лучшем случае на высоте размещения над поверхностью земли 19 м обеспечивается ЩО>Оа) = 59,62 %; £>ср = -5,92 дБи; Д,1т+Д„ах = -179,28 + +11 дБи;

• для радиолиний протяженностью от 2000 до 3000 км при односкачковом распространении и от 3000 до 6000 км при двухскачковом распространении предпочтительны типы антенн:

- вертикальный штырь на высоте размещения над поверхностью земли 16 м при вертикальной поляризации, Л'(£>>Д;р) = 56,56 %; Дср = 0,05 дБи; Дшп+Дш,* = -18 4- +3,04 дБи;

- РГ-5 на высоте размещения над поверхностью земли 16 м при горизонтальной поляризации, ЩЫ>ср) = 54,86 %; ДСр = -1,45 дБи; Дшп+Дш* = -30,94 + +9,33 дБи.

- АН-710 с углом разворота плеч на 120 градусов на высоте размещения над поверхностью земли 18 м при вертикальной поляризации, Л'(Д>Д;р) = 51,77 %; Дср = -1,24 дБи; йтп+Отт = -32,75 + +11,75 дБи;

При этом стандартной антенной АН-710 в лучшем случае на высоте размещения над поверхностью земли 19 м обеспечивается МО>/)ср) = 61,02 %; Др = -5,08 дБи; Д„ш+ДГш = -171,96 + +11,19 дБи;

3). По результатам численного моделирования и исследования направленности среди конструкций дельта антенн определена оптимальная - размерами 12 х 3 м. Для работы в квазивертикальном режиме антенну рекомендуется размещать на высоте 26 м над поверхностью Земли. При таких условиях для вертикальной поляризации обеспечивается ЩЫЗД = 59,39 %; £>ср = -3,79 дБи; Дм.+Ашх = -58,58 + +6,7 дБи.

При этом стандартной антенной АН-710 в лучшем случае на высоте размещения над поверхностью земли 16 м обеспечивается Щ[)>ис?) = 66 %; Ос? = -5,67 дБи; Ои+йш = -177,47 + +9,82 дБи;

4). Предложен способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной сферической развертки верхней полусферы, позволяющий проводить обобщенный анализ особенностей интенсивности излучения в условиях много-лепестковости объемной ДН.

5). Создан действующий макет дельта антенны с устройствами широкополосного согласования и проведены натурные измерения характеристик антенной системы для однопозиционного вертикального ЛЧМ ионозонда. Обеспечивается уровень КСВ не более 2 на частотах вертикального радиозондирования.

6). Создан действующий макет антенного переключателя для однопозиционного вертикального ионозонда и проведены натурные измерения его характеристик:

• средний коэффициент подавления (защиты) приемника на частотах от 1 МГц до 20 МГц составляет 60 дБ, причем в нижней части рабочего диапазона не менее 55 дБ;

• средние потери в режиме передачи зондирующего сигнала 4,5 дБ, причем в нижней части рабочего диапазона не более 8 дБ;

• средний КСВ по входу передатчика 1,3, причем в нижней части рабочего диапазона не более 2,1;

• средний КСВ по входу приемника 2,4, причем в нижней части рабочего диапазона не более 3,4.

7). По разработанному алгоритму и программам определения оптимального азимутального направления, с точки зрения минимизации провалов направленного действия антенны, с учетом влияния поверхности земли по всей совокупности частот декаметрового диапазона определены оптимальные высота размещения над поверхностью земли Язопт и азимутальные направления 1/Ьпт для антенны АН-710 при углах прихода от 18 до 43 градусов (радиолиния длиной 800 км) в диапазоне частот от 3 МГц до 30 МГц с шагом 1 МГц на высотах размещения антенны АН-710 от 16 м до 40 м с шагом 1 м:

• для горизонтальной поляризации Язопт = 18 м; ^зпт = 17°, 163°, 197°, 343°; Дтп+Атх = -22,07 + +8,74 дБи;

• для вертикальной поляризации Язопт = 19 м; Щзпт = 79°, ИГ, 259°, 291°; Диш+Олт = -19,6 + +7,35 дБи;

• оптимальные азимутальные направления лежат в секторе углов от 10° до 62° для горизонтальной поляризации, от 45° до 90° для вертикальной поляризации и соответственно по направлениям зеркальным относительно оси антенны и относительно ортогонали к оси антенны.

8) Выявлено, что увеличение влажности поверхности земли (увеличение диэлектрической проницаемости), приводит к общему увеличению максимумов в диаграмме направленности антенны АН-710 до 3 дБ и увеличению провалов до 20 дБ в направлениях средних и зенитных углов прихода, а увеличение проводимости поверхности земли (от 1 мСим/м до 5000 мСим/м) приводит к общему увеличению максимумов в диаграмме направленности антенны АН-710 до 7 дБ и увеличению провалов до 25 дБ в направлениях средних и зенитных углов прихода.

9) Разработаны следующие рекомендации по использованию ненаправленных антенн в широкой полосе частот/н+/в для обеспечения режимов радиозондирования ионосферы по всем азимутальным направлениям:

• следует использовать конструкции антенн с габаритами не более 1,4-Лн для исключения провалов диаграммы направленности в азимутальных направлениях.

• при десятикратном перекрытии рабочих частот для обеспечения связи по всем азимутальным направлениям необходимым при решении сетевых задач радиозондирования оптимальные высоты размещения антенн над поверхностью земли:

- на радиолиниях протяженностью до 300 км от 0,16-Лн до 0,2-Лн;

- на радиолиниях протяженностью от 300 км до 2000 км от 0,35-Ян до 0,38-Л«;

- для радиолиний протяженностью от 2000 до 3000 км при односкачковом рас-

пространении и от 3000 до 6000 км при двухскачковом распространении от0,16/?ндо0,18Лн.

Эти условия не исключают провалов в диаграмме направленности в меридиональных сечениях, но обеспечивают минимизацию этих провалов и наибольшее процентное значение направлений больше Dcr в дБи для диаграмм направленности антенны по всей совокупности частот декаметрового диапазона.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Научные статьи, опубликованные в изданиях, определённых ВАК:

1. Иванов, В. А. Исследование направленности КВ антенн для зондирования ионосферы по всем азимутальным направлениям в условиях размещения над реальной поверхностью Земли / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Радиотехнические и инфо-коммуникационные системы». - 2010. - № 2. - С. 36-52.

2. Иванов, В. А. Определение оптимальной конструкции дельта антенны по диаграммам направленности для вертикального зондирования ионосферы Земли / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». - 2010. - № 2. - С. 99-113.

3. Иванов, В. А. Оптимизация конструкции широкополосного горизонтального диполя для решения сетевых задач радиозондирования ионосферы / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». -2011.-№ 1.-С. 61-68.

4. Иванов, В. А. Определение основных параметров многомерного коротковолнового радиоканала с использованием панорамного ионозонда / В. А. Иванов, Д. В. Иванов, Н. В. Рябова, А. Р. Лащевский, Р. Р. Бельгибаев, А. А. Елсуков,

A. В. Мальцев, В. В. Павлов, М. И. Рябова, А. А. Чернов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». - 2011. - № 2. - С. 15—23.

5. Павлов, В. В. Антенная система аппаратуры вертикального зондирования ионосферы / В. В. Павлов // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». - 2008. -№ 1.-С. 21-32.

Работы, опубликованные в других изданиях:

6. Иванов, В. А. Результаты измерения и фильтрации помех в КВ диапазоне /

B. А. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, В. В. Павлов, Ю. А. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. статей XI Междунар. конф. Т. 2. - Воронеж, 2005. -

C. 676-686.

7. Иванов, В. А. Характеристики одномодовых каналов ионосферного распространения декаметровых радиоволн / В. А. Иванов, Д. В. Иванов, Н. В. Рябова, М. И. Бастракова, В. В. Павлов, Ю. А. Токарев, И.Е. Царев II Распространение радиоволн: сб. докладов XXI Всерос. науч. конф. Т. 1. - Йошкар-Ола, 2005. - С. 216-219.

8. Иванов, В. А. Исследование антенной системы аппаратуры вертикального зондирования ионосферы I В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов // XIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Том 1. Секция 1 -3,12,13 (17 - 19 апреля 2007 г., Воронеж). - Воронеж, 2007. - С. 586-595.

9. Иванов, В. А, Исследование отношения сигнал-шум на входе приемника декаметрового диапазона для различных антенн при наклонном зондировании ионосферы /

B. А. Иванов,H. В. Рябова, В. В. Павлов //Труды 51-й научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук". - М.: МФТИ, 2008. -

C. 37-40.

10. Иванов, В. А. Разработка аппаратного комплекса вертикального зондирования ионосферы ЛЧМ сигналом / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов, А. А. Елсуков // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. в 3-х т. Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - С. 101-102.

11. Иванов, В. А. Исследование антенного переключателя аппаратуры вертикального зондирования ионосферы / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов,

A. А. Елсуков // XIV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Том 1. Секция 1 - 3, 12, 13 (15 - 17 апреля 2008 г., Воронеж). - Воронеж, 2008. - С. 635-644.

12. Иванов, В. А. Исследование антенн в составе аппаратуры наклонного зондирования ионосферы / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов II Девятая международная конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТ и ТТ - 2008: Тезисы докладов. (25 -27 ноября 2008 г., Казань). - Казань, 2008. - С. 291-292.

13. Иванов, В. А. Исследование диаграмм направленности КВ-антенн в условиях размещения над реальной поверхностью земли / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов // «Распространение радиоволн», XXIII Всероссийская научная конф. XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн»: сб. докладов в 3 т. Т. 3. / Редкол.: Д. С. Лукин [и др.]. (23 - 26 мая 2011 г., Йошкар-Ола). - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. - С. 89-94.

14. Иванов, В. А. Определение оптимального азимутального направления по диаграммам направленности антенн для заданной дальности по поверхности земли при ЛЧМ зондировании ионосферы / В. А. Иванов, Н. В. Рябова, В. В. Павлов // XII Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТ и ТТ - 2011». Материалы конференции. (21 - 24 ноября 2011 г., Казань). - Казань, 2011. - С. 376-377.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

15. The radiation patterns of an antenna in MMANA for Tronan Macro Machine /

B. А. Иванов, H. В. Рябова, В. В. Павлов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ К» 2011619372 от 07.12.2011 г. Роспатент. - Москва, 2011.

16. The optimum orientation of an antenna. Ver. 1.0 / В. А. Иванов, П. В. Рябова, В. В. Павлов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011619373 от 07.12.2011 г. Роспатент. - Москва, 2011.

Подписано в печать 20.02.2012. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 4789.

Редакционно-издательский центр Марийского государственного технического университета 424000 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

61 12-5/2345

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АНТЕННЫ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ СЕТЕЙ НАЗЕМНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. ф.-м. н., проф. Рябова Н. В.

Йошкар-Ола - 2012

На правах рукописи

ПАВЛОВ Вячеслав Владимирови

Оглавление

Введение...............................................................................................................................4

1 Методы и средства повышения эффективности технологий радиозондирования ионосферы......................................................................................................................11

1.1 Особенности распространения декаметровых радиоволн, влияние

поверхности земли на диаграмму направленности антенн.................................11

1.2 Методы и средства реализации технологий радиозондирования

ионосферы широкополосными сигналами...........................................................23

1.3 Антенны, используемые для радиозондирования ионосферы.............................31

1.3.1 Простые декаметровые антенны.......................................................................34

1.3.2 Синфазные горизонтальные диапазонные антенны (СГД)............................38

1.3.3 Ромбические антенны.........................................................................................39

1.3.4 Антенны бегущей волны....................................................................................42

1.3.5 Логопериодические антенны.............................................................................43

1.4 Существующие противоречия, цели и задачи диссертации.................................47

1.5 Выводы.......................................................................................................................51

2 Методики расчета характеристик направленности антенн для обеспечения эффективной работы сети ЛЧМ ионозондов..............................................................53

2.1 Методы и программные средства для расчета характеристик антенн......................56

2.2 Методика получения характеристик направленности антенн для анализа

эффективности связи по всем азимутальным направлениям..............................60

2.3 Способ интерпретации объемной ДН в виде трехмерной цветной

сферической развертки............................................................................................65

2.4 Методика оценки направленности антенн путем обработки

экспериментально полученных ионограмм..........................................................67

2.5 Выводы.......................................................................................................................70

3 Техника эксперимента и результаты численного моделирования............................72

3.1 ЛЧМ ионозонд нового поколения...........................................................................73

3.2 Измерение отношения сигнал-шум ЛЧМ ионозондом и оценка мощности

связного сигнала......................................................................................................80

3.3 Определение оптимальной конструкции дельта антенны по диаграммам направленности для вертикального зондирования ионосферы.........................84

3.4 Макет дельта антенны с широкополосными согласующими элементами........98

3.5 Блок антенного переключателя.............................................................................103

3.5.1 Фильтр верхней частоты..................................................................................106

3.5.2 Работа АП в режиме передачи сигнала..........................................................107

3.5.3 Работа АП в режим приема сигнала...............................................................108

3.5.4 Исследование прохождения сигналов с управляющих входов....................108

3.5.5 Макет блока антенного переключателя..........................................................110

3.6 Выводы.....................................................................................................................111

4 Натурные и численные эксперименты по апробации предложенных методов и устройств......................................................................................................................113

4.1 Результаты натурных экспериментов, полученных с помощью ЛЧМ

ионозонда................................................................................................................113

4.2 Результаты натурных измерений характеристик антенного

переключателя........................................................................................................125

4. 3 Результаты натурных измерений характеристик антенной системы для

вертикального зондирования ионосферы...........................................................128

4.4 Моделирование и исследование направленности декаметровых антенн

для зондирования ионосферы по заданным азимутальным направлениям .... 136

4.4.1 Результаты моделирования характеристик направленности антенн

для радиолиний протяженностью до 300 км..................................................139

4.4.2 Результаты моделирования характеристик направленности антенн

для радиолиний протяженностью от 300 до 2000 км....................................147

4.4.3 Результаты моделирования характеристик направленности антенн для радиолиний протяженностью от 2000 до 3000 км и от 3000 до

6000 км................................................................................................................151

4.4.4 Результаты определения оптимального азимутального направления антенны для работы в режиме ЛЧМ зондирования ионосферы...................155

4.4.5 Результаты определения влияния параметров поверхности земли на диаграмму направленности широкополосного горизонтального

диполя.................................................................................................................162

4.5 Выводы и рекомендации по повышению эффективности технологии

вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы

широкополосными сигналами..............................................................................166

Заключение.......................................................................................................................171

Список литературы..........................................................................................................175

Введение

В настоящее время на фоне интенсивного развития высокоэффективных кабельных, радиорелейных и спутниковых систем связи, значение декаметровой (ДКМ) связи не теряет своей актуальности. Стоимость ДКМ радиоканалов на порядок ниже, а помехозащищенность в условиях конфликтных ситуаций выше в сравнении со спутниковыми каналами связи. ДКМ радиосвязь является единственным средством связи в областях, не имеющих инфраструктуры, в труднодоступных районах, поэтому является актуальным ее использование в ведущих отраслях экономики, таких как нефтяная и газовая промышленность, морское судоходство, аэронавигация и геология. Однако изменчивость состояния ионосферы, которая оказывает существенное влияние на условия распространения радиоволн ДКМ диапазона, приводит к необходимости диагностики состояния линии связи, определяя и прогнозируя в реальном времени ее основные характеристики, а по ним возможно оценивать и прогнозировать информационно-технические характеристики систем связи [1].

ДКМ радиолиния способна обеспечить пространственной волной связь за пределами прямой видимости на расстоянии до 4000 -г 6000 км и более. Стоимость ДКМ радиоканалов на порядок ниже, а «живучесть» в условиях конфликтных ситуаций выше в сравнении со спутниковыми каналами связи. ДКМ радиоканал является единственным средством связи в областях, не имеющих инфраструктуры, в труднодоступных районах.

Однако изменчивость состояния ионосферы, которая оказывает существенное влияние на условия распространения радиоволн ДКМ диапазона, приводит к необходимости диагностики состояния линии связи, определяя и прогнозируя в реальном времени ее основные радиотехнические характеристики, а по ним оценивать и прогнозировать информационно-технические характеристики систем.

Основными информационно-техническими характеристиками систем декаметровой радиосвязи являются: помехоустойчивость (зависящая в общем случае от радиотехнических параметров каналов: рабочей частоты, отношения сигнал-шум, максимальных межмодовых задержек и разности доплеровского смещения частоты принимаемых лучей), максимальная скорость передачи информации (зависящая от межмодовых задержек), минимальная мощность излучения связного сигнала, диапазон рабочих частот связи (простирающийся от наименьшей наблюдаемой частоты до максимально наблюдаемой частоты радиолинии).

Изначально информацию о некоторых наиболее важных характеристиках радиолиний получали от вертикальных ионозондов. Затем появились наклонные ионо-зонды, возвратно-наклонные и космические. Среди первых зарубежных радиотехнических систем радиозондирования радиолиний [2] следует отметить системы СШТБ [3 - 6], СНЕС [7, 8]. В России также был создан ряд станций импульсного зондирования, такие как НАИС, Сойка [9], Базис [10, 11]. Внедрение этих систем значительно повысило надежность связи. В частности, эксплуатация системы СиЯТ8 показала, что надежность связи возрастает до 90 %, увеличивается в 20 раз число корреспондентов, по сравнению с системами связи, имеющими постоянное закрепление рабочих частот.

Внедрение систем диагностики ионосферы приводит к значительному повышению надежности декаметровой радиосвязи. В настоящее время в России и за рубежом построены сети вертикально-наклонных панорамных ионозондов.

В различные годы большой вклад в развитие систем зондирования ионосферы наземного и космического базирования внесли Н. А. Арманд, Э. Л. Афраймович, В. Д. Гусев, Н. П. Данилкин, В. А. Иванов, В. Е. Куницын, В. И. Куркин, Л. А. Лобачевский, Д. С. Лукин, Р. Г. Минуллин, А. П. Потехин, Н. В. Рябова, В. П. Урядов, Ю. Н. Черкашин. Вопросы синтеза частот, цифровой синхронизации приемопередающей аппаратуры в условиях пространственно-временной обработки сигналов обстоятельно рассмотрены В. В. Шахгильдяном, А. В. Пестряковым.

Значительные успехи в радиомониторинге ионосферных радиолиний были достигнуты в середине 80-х годов благодаря созданию ионозонда, использующего сигнал со сверхбольшой базой. Это был непрерывный линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал.

В направлении развития антенных систем большое внимание уделено исследованию электрического вибратора конечной длины, расположенному в свободном пространстве. Здесь можно отметить работы Е. Галлена [12], М. А. Леонтовича и М. Л. Левина [13], Г. 3. Айзенберга и Э. М. Журбенко [14, 17], В. А. Неганова [15, 16], Г. А. Ерохина [17, 18], Д. М. Сазонова [19], Ю. В. Пименова [20], Р. Кинга [21], И. Г. Кляцкина [22], М. С. Неймана [23], Н. О. Соколова [24].

Однако для многих практически важных проблем необходим учет параметров подстилающей поверхности земли особенно в декаметровом диапазоне волн. Вопросы анализа влияния реальной почвы на электрический вибратор конечной длины исследованы значительно меньше. Среди более поздних работ следует отметить исследования, проведенные Б. Ю. Шередько, Ю. М. Сподобаевым [25, 26], В. Б. Ви-

5

тевским, В. П. Кубановым, О. Н. Масловым [27, 28], А. Л. Бузовым, В. А. Романовым [29].

Наиболее полно проблема анализа влияния земли на параметры вибраторных антенн исследована в диссертации М. В. Дмитриева [30]. В этой работе анализ проводился на основе сведения задачи к интегральному уравнению типа Галлена, с использованием функции Грина двухслойного пространства.

Следует отметить, что в последние годы большое внимание уделяется вопросам излучения плоских вибраторов различной конфигурации, расположенные на диэлектрическом слое, то есть на границе раздела сред. Большой вклад в эти исследования внесены Е. И. Нефедовым [31], В. В. Чебышевым [32, 33] и другими авторами.

В настоящее время разработаны мобильные ионозонды, использующие линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) сигналы для диагностики радиолиний и каналов связи [34, 35]. В адаптивных системах ДКМ связи а также для научных исследований распространения радиоволн ДКМ диапазона на трассах различной протяженности и географической ориентации используются сети вертикально-наклонных панорамных ЛЧМ-ионозондов, покрывающих территорию страны.

Многопозиционность сети ЛЧМ ионозондов приводит к необходимости минимизации количества приемо-передающих позиций для покрытия требуемой области пространства. При этом пространственно-избирательные свойства ЛЧМ ионозонда во многом определяются используемыми антенными системами.

Принципиально методика анализа пространственно избирательных свойств антенны сводится к решению внутренней и внешней задачи, которые заключаются в нахождении распределения токов в излучающей системе и определении по найденному токовому распределению электромагнитного поля антенны с учетом высоты размещения над поверхностью земли.

Изучение поля излучения антенной системы основывается на определении ее характеристик, в частности диаграммы направленности, и закономерностей их изменения от изменения параметров антенной системы и подстилающей поверхности. Знание пространственно-избирательных характеристик антенных систем и их изменения позволяет определить их влияние на характеристики (показатели) многопозиционной сети ЛЧМ ионозондов.

В условиях сильного влияния поверхности земли на пространственно-избирательные свойства антенных систем, характерных для ДКМ диапазона необходима разработка методик оценки характеристик направленности антенн, при работе по всему диапазону частот.

Оптимизация характеристик декаметровых антенн, используемых в вертикально-наклонных радиозондах, модернизация их конструкции - важная и актуальная задача, в первую очередь, требующая разработки методик и алгоритмов оценки пространственно-избирательных свойств направленности антенн с учетом высоты размещения над поверхностью земли при работе в широком диапазоне частот и разработки технических решений для повышения эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.

Таким образом, цели и задачи работы можно сформулировать следующим образом.

Цель работы заключается в исследовании характеристик ненаправленных антенн декаметрового диапазона для их оптимизации и модернизации конструкции с целью повышения эффективности технологии вертикально-наклонного радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1). Разработка методики оценки характеристик направленности антенн для анализа эффективности связи по всем азимутальным направлениям.

2). Исследование направленности коротковолновых антенн для определения конструкции, обеспечивающей минимальную неравномерность усиления при наклонном зондировании ионосферы по всем азимутальным направлениям с учетом влияния поверхности земли для линий наклонного радиозондирования различной протяженности и создание методик и программных средств для решения поставленных задач.

3). Анализ характеристик направленности и синтез конструкции дельта антенн для определения формы, обеспечивающей наибольшее усиление при вертикальном однопозиционном зондирования ионосферы с учетом размещения над реальной землей в широком диапазоне частот.

4). Создание макета антенной системы с антенным переключателем и устройствами широкополосного согласования для однопозиционного вертикального ионо-зонда и натурные измерения его характеристик.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории распространения радиоволн в ионосфере, электродинамики и теории поля, математического моделирования, натурного измерения характеристик устройств, программирование и расчеты на ЭВМ. При численном моделировании и исследованиях использованы прикладные пакеты программ ТигЬоРазса1, Тгопап МасгоМасЫпе, МаШСас!, МюгоСар VII и ММАЫА-ОАЬрго. Натурные эксперименты

7

проведены с использованием Западноевропейской и Российской сети ЛЧМ-ионозондов.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием результатов, полученных путем численного моделирования, с результатам экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы и другими авторами; повторяемостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

1). Разработаны новые методики оценки характеристик направленности антенн для повышения эффективности работы системы радиозондирования ионосферных радиолиний различной протяженности и географической ориентации по заданным азимутальным направлениям в условиях размещения антенн над реальной поверхностью земли.

2). Разработан новый способ интерпретации объемной диаграммы направленности в виде трехмерной цветной сферической развертки диаграммы направленности, позволяющий проводить анализ полной картины пространственной диаграммы направленности в условиях ее значительного излома.

3). Определены оптимальные конструкции и рекомендуемые высоты размещения антенн над землей для связи по всем азимутальным направлениям для реализации технологии наклонного радиозондирования ионосферы.

4). В результате численного моделирования и экспериментальных исследований определена оптимальная конфигурация и конструктивно реализована антенна, позволяющая повысить эффективность технологии однопозиционного вертикального радиозондирования ионосферы широкополосными сигналами.

5). Разработан новый алгоритм и программы определения оптимального азимутального направления, с точки зрения минимизации провалов направленного действия антенны, с учетом влияния