автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенны для приема сверхширокополосных сигналов в аппаратуре радиомониторинга и радиопеленгации

На правах рукописи

НЕГРОБОВ Александр Владимирович

АНТЕННЫ ДЛЯ ПРИЕМА СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ В АППАРАТУРЕ РАДИОМОНИТОРИНГА И РАДИОПЕЛЕНГАЦИИ

Специальность: 05.12.07- Антенны, СВЧ устройства и их

технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2011

1 7 МАР 2011

4840432

Работа выполнена в технический университет»

ГОУВПО «Воронежский государственный

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пастернак Юрий Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Климов Александр Иванович;

кандидат технических наук, доцент Останков Александр Витальевич

Ведущая организация ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж)

Защита состоится 24 марта 2011 г. в 15 30 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 22 февраля 2011 г.

Ученый секретарь // ,

диссертационного совета [А/Г/ Макаров О. Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных тенденций развития аппаратуры связи и телекоммуникаций, измерительной радиоаппаратуры, а также - радиолокационных комплексов и средств радиоэлектронной борьбы является использование широкополосных и сверхширокополосных сигналов. Весьма перспективным направлением развития радиоэлектронных систем различного назначения (в частности, аппаратура стандарта UWB) является использование сверхкоротких импульсов, характеризующихся наносекундной и субнаносе-кундной длительностью.

Поэтому современная аппаратура радиомониторинга и радиопеленгации должна обеспечивать надежный поиск и точное измерение параметров фиксируемых сигналов, в том числе и в моноимпульсном режиме.

Эффективность аппаратуры радиоконтроля напрямую зависит от характеристик используемых в ней антенных систем и устройств. Важным требованием, предъявляемым к аппаратуре радиопеленгации и радиомониторинга, является надежное и точное разрешение источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот, однако не менее важным требованием является обеспечение ее высокой живучести, непосредственно связанной со степенью ее заметно-сти, в значительной мере определяемой габаритными размерами антенной системы. Поэтому к антеннам, используемым в аппаратуре радиоконтроля, предъявляются требования минимального искажения принимаемых сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов в угловой зоне ее обзора, обеспечения достаточно высокого уровня сигналов, передаваемых в приемное устройство, возможности разрешения источников радиоизлучения с близкими значениями угловых координат и вместе с тем приемлемых габаритных размеров и массы.

Исследованиям в области теории сверхширокополосной радиоэлектроники, а также разработке широкополосных и сверхширокополосных антенн посвящены работы В.Б. Авдеева, Д.В. Авдеевой, Г.В. Анцева, H.A. Арманда, Л.Ю. Астанина, A.B. Ашихмина, Л.Д. Бахраха, A.M. Бобрешова, Д.И. Воскресенского, А.Ю. Гринева, И.Я. Иммореева, А.Ф. Кардо-Сысосева, А.П. Курочкина, В.Ф. Лося, Ю.Б. Нечаева, Ю.Г. Пастернака, И.В. Попова, Д.М. Сазонова, В.А. Сарычева, Б.В. Сестрорецкого, В.Н. Скосырева, А.Д. Французова, CJI. Чернышева, Ю.В. Юханова, В.И. Юдина, А.П. Ярыгина и др.

Тем не менее ряд важных задач, таких как: излучение и прием сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов с минимальными искажениями их амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик; создание малогабаритных антенных систем, обладающих высокой чувствительностью в сверхшироком диапазоне частот их функционирования; повышение эффективности существующих и разрабатываемых комплексов радиопеленгации и радиомониторинга посредством качественного улучшения входящих в их состав элементов антенных решеток, остается не решенным или решенным не в полной мере.

Данные обстоятельства делают актуальной тему настоящей диссертации, выполненной в рамках ряда проводимых в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также одного из основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» - «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является: разработка методик исследования и коррекции искажений, создаваемых антеннами при излучении и приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, а также проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения анализа состояния теории сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов и перспектив развития антенных систем комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот;

- разработки методики исследования искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых ТЕМ-рупором, щелевой антенной бегущей волны и вибраторной логопериодической антенной;

- создания и исследования методики компенсации искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых логопериодической антенной;

- разработки и исследования методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхшироком диапазоне ее функционирования;

- разработки и апробации методики проектирования антенной системы, элементами которой являются симметричные сверхширокополосные вибраторы, запитываемые неоднородными щелевыми линиями с потерями на излучение.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений, методы натурных экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика, позволяющая оценить амплитудные, фазовые и поляризационные искажения, вносимые сверхширокополосными антеннами (ТЕМ-рупоры, вибраторные логопериодические антенны и щелевые антенны бегущей волны) при излучении и приеме сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов, а также позволяющая проектировать вышеупомянутые антенные устройства, отличающиеся малой степенью искажений

структуры сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов;

- разработана и исследована методика компенсации искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосних сигналов, принимаемых вибраторной логопериодической антенной, основанная на предварительной коррекции фазовых искажений с помощью многозвенного полоскового устройства с сосредоточенными реактивными элементами, возникающих вследствие сильной дисперсии времени задержки спектральных компонентов принимаемых сигналов, и позволяющая существенно сократить эффективную длительность импульсов и сохранить их форму;

- разработана и исследована методика проектирования щелевых антенн бегущей волны, отличающихся улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот, на основе параметрического синтеза согласующих резонансных шлейфов, компенсирующих индуктивный характер входного сопротивления антенных элементов в низкочастотной области их функционирования, позволяющая существенно снизить уровень коэффициента отражения на их входе;

- предложена и апробирована методика проектирования сверхширокополосных антенных систем, составленных из гибридных элементов, представляющих собой симметричные электрические вибраторы, запитываемые квазищелевыми линиями с потерями на излучение, использование которых в комплексах радиопеленгации и радиомониторинга позволяет уменьшить число подрешеток антенной системы за счет функционирования ее элементов в сверхширокой полосе частот и существенно повысить ее чувствительность в высокочастотной области функционирования за счет направленных свойств гибридных антенных элементов.

Практическая значимость работы заключается в:

- снижении числа литер радиопеленгаторных антенных систем, состоящих из гибридных антенных элементов;

- существенном — до 10 дБ - повышении чувствительности аппаратуры радиоконтроля, оснащенной разработанными антенными системами с направленными элементами, не имеющими фазового центра;

- минимизации степени искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых разработанными антенными устройствами и системами.

Разработанные антенные устройства и методики их проектирования могут быть также использованы для совершенствования систем связи, дистанционного управления и радиоэлектронной борьбы.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж), а также внедрены в учебный процесс ГОУВГГО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика оценки причин и степени деформации сверхкороткоимпульс-ных сигналов при их формировании сверхширокополосными антеннами: ТЕМ-рупором, вибраторной логопериодической и антенной Вивальди, а также выявления характера зависимости наблюдаемых искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов от направления их излучения одиночными и входящими в состав радиопеленгаторных антенных решеток элементами Вивальди и ТЕМ-рупорами;

- методика синтеза цепей предварительной фазовой коррекции в двух вариантах исполнения: с использованием только сосредоточенных реактивных элементов и с применением комбинации отрезков полосковой линии передачи с сосредоточенными Ь- и С-элементами для компенсации искажений фазового спектра сверхширокополосного сигнала, принимаемого или излучаемого вибраторной логопериодической антенной;

- методика параметрического синтеза щелевой антенны бегущей волны, входящей в состав радиопеленгаторной антенной системы, позволяющая, при незначительном увеличении габаритов антенны существенно улучшить ее согласование с фидерной линией в низкочастотной области функционирования высокочастотной литеры;

- методика проектирования сверхширокополосных гибридных антенных элементов и результаты натурных исследований аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, включающей в себя экспериментальный макет антенной системы, составленной из гибридных элементов, позволяющие оценить эффективность применения синтезированных вибраторных антенн, обладающих направленными свойствами в верхней части рабочего диапазона системы радиоконтроля.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: XIV - XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2008 - 2010), Международной научно-технической конференции «Инноватика 2007» (Сочи, 2007), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007 - 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [10] - разработка методики оптимизации характеристик антенны; [1, 2, И, 12] - разработка методики исследования искажений сверхкоротких импульсов; [3, 5, 8, 9] - проведение моделирования излучающих структур; [4] -поиск и предварительный анализ публикаций; [6, 7, 8, 13] - изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 113 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 188 страницах, содержит 97 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ перспективных направлений применения сверхширокополосных радиосигналов и сверхкоротких видеоимпульсов в аппаратуре радиоконтроля. В его рамках осуществлен обзор возможностей использования сверхширокополосной радиоэлектроники, а также рассмотрены основные модели и методы, применяющиеся в настоящее время для описания сверхширокополосных сигналов и процессов. Проведен сравнительный анализ путей построения антенных систем комплексов радиопеленгации и радиомониторинга, разработанных мировыми лидерами в данной области.

Выяснены основные особенности технической реализации антенных систем двух крупнейших фирм - Rohde&Schwarz и TCI, - занимающихся разработкой и производством аппаратуры радиоконтроля. Показано, что рассмотренные в качестве примера антенные комплексы, несмотря на высокие показатели своих тактико-технических характеристик, все же имеют ряд недостатков, связанных с наличием широкой «мертвой» зоны, необходимостью применения многолитерных антенных систем, невозможностью применения амплитудно-фазового метода разрешения угловых координат источников радиоизлучения для антенных систем, составленных из направленных элементов (ТЕМ-рупоров, логопериодических антенн, антенн Вивальди) по причине отсутствия у них фазового центра. Проведенный анализ позволил подтвердить актуальность исследований, проведенных в рамках настоящей диссертации.

Вторая глава посвящена исследованиям причин искажения сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов при их излучении сверхширокополосными антенными устройствами. Для получения корректных результатов численного моделирования была разработана методика оптимального выбора того или иного численного метода, рис. 1.

На рис. 2 в виде схемы представлена методика исследования процессов искажения сверхкоротких импульсов (СКИ) при их излучении ТЕМ-рупором, вибраторной логопериодической антенной (ЛПА) и антенной Вивальди, выбранными в качестве исследуемых излучающих структур. На основании результатов численного моделирования по вышеупомянутой методике, представленных в виде множества графических зависимостей различных характеристик возбуждающего и формируемого антенной импульсов, рассчитанных во временной и частотной областях, и соответствующих им таблицам со значениями коэффициента взаимной корреляции и эффективной длительности рассматриваемых импульсов, был сделан вывод, что искажение СКИ, вызванное искаже-

нием спектра фаз гораздо существеннее, чем вызванное искажением спектра амплитуд.

Вторая ветвь исследований, согласно методике рис. 2, направлена на анализ влияния отклонения от осевого направления излучения на степень деформации СКИ при их формировании элементами кольцевых пеленгаторных антенных решеток (ТЕМ-рупором и антенной Вивальди) в двух частотных диапазонах: 3-8 ГГц (рабочий диапазон пеленгатора) и 12-26.5 ГГц (полоса, выбранная по критерию наибольшей равномерности коэффициента усиления для обеих антенн).

Рис. 1. Алгоритм проведения анализа исследуемых антенных устройств

Рис. 2. Алгоритм исследования процессов излучения сверхкоротких импульсов сверхширокополосными антеннами

В третьей главе предложены пути совершенствования существующих антенных устройств. Разработана методика синтеза устройств предварительной фазовой коррекции (рис. 7) искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов, вызванных сильной дисперсией фазочастот-

ной характеристики антенного устройства, на примере печатной ЛПА, рис. 3. Отыскание номиналов реактивных элементов производится путем вычисления значений элементов матрицы а — параметров. В частности, для однокаскадной схемы корректора можно записать:

и,=апи2+ ап1г, /, = а1)и1 + д22/2.

Н=

1

г,2+2,(22,+2,)

ю'ДС,-1

= ]со1х, 2г=)\

1

где

(оС1

2-ъ ~

соС,

Эквивалентом рассматриваемого

Подложка: е, =4.9, * = 1.5 мм

¡л

четырехполюсника является отрезок линии передачи с волновым сопротивлением 2п, обеспечивающий сдвиг фазы возбуждающего сигнала на Ч/ и временную задержку на г.

Рис. 3. Вид исследуемой ЛПА

•у/а,2 / а21 , ¥ = агссоз(д„), _ <1аи1с1со

Схема четырехзвенного фазокорректи-рующего устройства, реализованного комбинацией сосредоточенных элементов и отрезков линий передачи, представлена на рис. 4. Результатом применения предложенного технического решения является выравнивание группового времени задержки (ГВЗ) спектральных составляющих излучаемого или принимаемого сверхширокополосного сигнала, что подтверждает содержание рис. 5: кривая 1 - ГВЗ в антенне, кривая 2 - ГВЗ в фазокорректоре, кривая 3 - ГВЗ в антенне с фазовым корректором. Эффективность применения разработанного корректора также показано содержанием рис. 6, на котором видно, что длительность импульса сократилась в 8 раз, а его форма приблизилась к форме видеоимпульса, формируемого идеальным излучателем.

с.

с, и

с, I,

с, ь,

Па М (Г!«. /т:«Л П* М

I /УМ^ ГУ^ 1 I . , I_I . .11 /------ ууу» I

4=0.70 нГн С, = 2.45 пф /, = 13 1 мм С, = 1.66 пФ н-,-1.7 мм ¿, = 0.39 нГч

¿,=0.51 нГи С, = 1.32 пФ «•, = 2.5 мм Л, =0.50 кГц /т = 2.5 мм = 0.50 »Ги

¿,=0.70 нГн =0.50 иГи /, =5.6 мм I, = 2.5 мм м>, =1.9 мм ¿,.0.39 нГк

Рис. 4. Схема фазокорректора

2 2.5 Рис. 5. Временная зависимость ГВЗ

Рис. 6. Сравнение эффективных длительностей излученного видеоимпульса

Рис. 7. Алгоритм синтеза фазокорректирующего устройства

Разработана методика проектирования щелевой антенны бегущей волны, входящей в состав радиопеленгаторной антенной системы, с целью улучшения ее входных характеристик в рабочем диапазоне частот, рис. 8.

Рис. 8. Алгоритм параметрического синтеза антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками

в

Из рис. 9, на котором приведены топология и фотография макета исследуемой антенны, видно, что сущность оптимизации излучающей структуры заключается в добавлении емкостных шлейфов, существенно улучшающих согласование антенны Вивальди с подводящим трактом в нижнечастотной области ее функционирования, что подтверждается частотными зависимостями коэффициента стоячей волны по напряжению, проиллюстрированными на рис. 10. Все три кривых на рис. 10а получены без учета влияния симметрирующего трансформатора: пунктирная линия соответствует КСВн антенны до оптимизации, сплошная - после оптимизации, а штриховая - частотной зависимости, полученной экспериментально. Как видно из рис.

106, применение симметрирующего транс- „ _

, , г г Рис. 9. Внешним вид

форматора (реализованного в виде отрезка

„ -тлп исследуемои антенны

полосковои линии длинои 300 мм на подложке из полистирола (ег =2.56)) позволяет повысить схожесть теоретически рассчитанных результатов (сплошная линия) и полученного в ходе экспериментальных исследований макета (пунктирная линия).

КСВм 5(—г

1\

1 г.....

I ^ 1

\

1 у \ >ч- ..."

0.2 п. 4 0.6 (, и I 1.2

0.6 О.Ч 1,2 ¡.5

а)

б)

Рис. 10. Зависимость КСВн антенны Вивальди от частоты Рассмотрена возможность применимости гибридных антенн для излучения и приема сверхкоротких видеоимпульсов в двух частотных диапазонах: 0.3-3 ГГц (рабочий диапазон пеленгатора) и 2-6 ГГц (диапазон, выбранный по критерию равномерности коэффициента усиления). Исследования проведены по приведенной

О. ЧБ

( у

* / В со >еш тая / е

/ -— чо 1 диночн антенн ая стк» .......

/

г. г "н

Рис. 11. Коэффициент усиления

на рис. 2 методике. На рис. 11 приведен график коэффициента усиления гибридного антенного элемента одиночного и входящего в состав АР.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям разработанной и смакетированной радиопеленгаторной гибридной антенной решетки. Предложена методика разработки и проектирования гибридных антенных элементов, представляющих собой симметричные электрические вибраторы, запитываемые квазищелевыми линиями с потерями на излучение, рис. 12.

Рис. 12. Алгоритм разработки гибридных антенн и антенных решеток

Благодаря применению разработанных гибридных антенных элементов (рис. 13) в составе радиопеленгаторной антенной системы удалось повысить чувствительность комплексов радиоконтроля, работающих в частотном диапазоне 25 - 3000 МГц, на 6^8 дБ на частотах выше 300 МГц.

Рис. 13. Макет гибридного элемента с •

симметрирующим трансформатором; ДНйМ^^ИВш^шД^^^шШ гибридная антенная решетка с ^шмИ^^^И^ВВу^^^^Ши

коммутатором на штативе Качество практической реализации макета разработанной гибридной антенны можно оценить по степени его согласования с питающей линией (рис. 14), а также по зависимости коэффициента усиления от частоты (рис. 15). На обоих рисунках сплошной линией отображена теоретическая зависимость, а пунктирной - экспериментальная.

1Г5 С.дБ 7

к,. . ; . , . У^Г^4:

40(1 500 600 740 К00 9(10 10110

Рис. 14. КСВн гибридной антенны Рис. 15. Коэффициент усиления В результате статистического моделирования установлено, что допустимыми значениями среднеквадратических отклонений ошибок измерения амплитуд и фаз наводимых напряжений являются, соответственно, 1 дБ и 5°, при которых максимальные погрешности измерения пеленга в полосе частот 25 - 90 МГц не превышают 3-н5°, а в полосе частот 90 - 3000 МГц - 1-н2°. Получены результаты натурных исследований гибридной радиопеленгаторной антенной системы, подтверждающие возможность однозначного пеленгования источников радиоизлучения в диапазоне 25 - 3000 МГц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В рамках выполнения диссертационной работы разработаны методики выявления причин и оценки степени искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов, возникающих при их излучении или приеме сверхширокополосными антеннами, а также методики проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих существенно повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Проведен анализ состояния теории сверхширокополосных сигналов и перспектив развития антенных систем комплексов радиопеленгации и радиомониторинга, предназначенных для функционирования в сверхширокой полосе частот.

2. Разработана методика, позволяющая определить причину возникновения и оценить степень существующих амплитудных, фазовых и поляризационных искажений при формировании или приеме сверхкоротких импульсов антенным устройством на примере ТЕМ-рупора, вибраторной логопериодической антенны и щелевой антенны бегущей волны, а также позволяющая с учетом выявленных особенностей синтезировать антенные элементы, в минимальной степени искажающие структуру сверхкоротких импульсов.

3. Предложена и апробирована в ходе численного эксперимента методика компенсации искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых или излучаемых логопериодической антенной, заключающаяся в разработке устройства предварительной фазовой коррекции на базе комбинации реактивных элементов с сосредоточенными параметрами и отрезков полосковой линии и позволяющая сократить эффективную длительность излучаемых импульсов до значения не более 1.5 не (при длительности возбуждающего импульса 1 не и формируемого исследуемой антенной без фазокор-ректора-6.5 не).

4. Разработана и исследована методика параметрического синтеза антенны Вивальди с согласующими резонансными шлейфами, отличающейся улучшенными входными характеристиками в низкочастотной области ее диапазона функционирования, позволяющая снизить значение нижней граничной частоты ее рабочего диапазона с 1000 МГц до 350 МГц по среднему значению уровня коэффициента стоячей волны по напряжению 2; эффективность проведенной оптимизации подтверждена в результате экспериментального исследования созданного макета синтезированной щелевой антенны бегущей волны.

5. Разработана методика проектирования сверхширокополосных гибридных антенн, отличающихся направленными свойствами в верхнечастотной области их функционирования и позволяющих снизить количество литер антенных систем, составленных из вышеупомянутых элементов, до одной, а также увеличить чувствительность радиопеленгаторных комплексов, оснащенных гибридными антенными системами, в среднем на 6-8 дБ во всем рабочем диа-

пазоне; проведены натурные испытания созданного макета гибридной антенной системы, результатом которых явилось подтверждение эффективности применения предложенного технического решения, а также формулирование условий, предъявляемых к приемной аппаратуре, а именно обеспечение значений среднеквадратических отклонений измерения амплитуд и фаз принимаемых колебаний, не превышающих, соответственно 1 дБ и 5°.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Негробов A.B. Моделирование процессов искажения сверхкороткоим-пульсных сигналов сверхширокополосными антенными устройствами / A.B. Негробов, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Системы управления и информационные технологии: научно-технический журнал. 2008. № 3.3 (33). С. 371378.

2. Негробов A.B. Исследование сверхкоротких импульсов, излученных сверхширокополосными антеннами / A.B. Негробов, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Антенны. 2009. № 3 (142). С. 46-51.

3. Разработка и исследование устройств компенсации искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых логопериодической антенной / A.B. Аших-мин, A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 8. С. 53-57.

4. Анализ современного состояния и перспективы развития теории и техники антенн, используемых в комплексах радиомониторинга и радиопеленгации / A.B. Ашихмин, В.А. Козьмин, A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. №9. С. 93-102.

5. К вопросу минимизации искажений сверхкоротких импульсов при излучении вибраторной логопериодической антенной / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Телекоммуникации. 2009. № 12. С. 21-25.

6. Исследование кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки, состоящей из экспоненциально расширяющихся щелевых элементов, нагруженных широкополосными электрическими вибраторами / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский И Антенны. 2010. № 6 (157). С. 60-66.

Статьи и материалы конференций

7. Модель конического ТЕМ рупора с диэлектрической линзой / М.Ю. Чепелев, Ю.Н. Перов, A.B. Негробов, A.C. Самодуров // Инноватика 2007: материалы Междунар. науч.-техн. конф. М.: Энергоатомиздат. 2007. Т. 3. Ч. 2. С. 190-193.

8. Исследование устойчивости алгоритма сверхразрешения MUSIC к искажениям измеряемой структуры поля, вызванным рассеиванием волн антен-

ной системой / A.B. Безвесельный, C.B. Корочин, A.B. Негробов, В.В. Негробов, Ю.А. Рембовский // Радиолокация, навигация, связь: материалы XIV Между нар. науч.-техн. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. Т. 1. С. 645-656.

9. Рассмотрение способа компенсации искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых вибраторной логопериодической антенной / A.B. Аших-мин, A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 4-14.

10. Макетирование одиночных антенных элементов, входящих в состав радиопеленгаторных антенных решеток, работающих в сверхшироком диапазоне волн / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 15-21.

11. К вопросу об искажениях сверхкоротких импульсов сверхширокополосными антеннами / A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Вестник Российского Нового университета. 2009. Вып. 2. С. 80-85.

12. Анализ влияния характеристик сверхширокополосных антенн на формирование сверхкоротких импульсов / A.B. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Радиолокация, навигация, связь: материалы XV Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2009. Т. 1. С. 406-417.

13. Экспериментальное исследование кольцевой радиопеленгаторной гибридной антенной решетки в сверхшироком диапазоне волн / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVI Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2010. Т. 2. С. 1634-1645.

Подписано в печать 17.02.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № j

7

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Введение

1. Анализ возможностей и эффективности приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов в аппаратуре радиоконтроля мобильного и стационарного базирования 12 1.1. Аналитический обзор возможностей и перспективных направлений развития сверхширокополосной радиоэлектроники 12 1.2 Анализ технических средств и перспектив совершенствования современной аппаратуры радиомониторинга и радиопеленгации

1.3. Анализ моделей и методов описания сверхширокополосных сигналов и процессов

1.4. Выводы по первой главе

2. Исследование процессов излучения сверхкоротких импульсов сверхширокополосными антеннами

2.1. Анализ использования численных методов расчета характеристик электродинамических структур, функционирующих в сверхширокой полосе частот, и разработка методики совместного использования методов пространственно-временного и пространственно-частотного анализа

2.2. Исследование основных причин возникающих искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов при их излучении сверхширокополосными антеннами

2.3. Исследование влияния изменения направления излучения на величину искажений сверхкоротких импульсов

2.4. Выводы по второй главе

3. Исследование возможностей улучшения технических характеристик антенных устройств, работающих в сверхширокой полосе частот 108 3.1. Разработка и исследование методики минимизации деформации сверхкоротких импульсов при излучении вибраторной логопериодической антенной •

3.2. Разработка и исследование методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот

3.3. Исследование возможной применимости гибридных антенных элементов для формирования сверхкоротких импульсов

3.4. Выводы по третьей главе

4. Экспериментальное исследование гибридной антенной решетки в сверхшироком диапазоне волн

4.1. Анализ применимости классических метрологических методов теории и техники антенн для измерения параметров сверхширокополосных антенн, функционирующих в режиме приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов

4.2. Макетирование и натурные исследования гибридной антенной решетки

4.3 Выводы по четвертой главе Заключение

Список цитируемых источников

Актуальность работы. Одной из основных тенденций развития аппаратуры связи и телекоммуникаций, измерительной радиоаппаратуры, а также -радиолокационных комплексов и средств радиоэлектронной борьбы, является использование широкополосных и сверхширокополосных сигналов. Весьма перспективным направлением развития радиоэлектронных систем различного назначения (в частности, аппаратура стандарта UWB), является использование сверхкоротких импульсов, характеризующихся наносекундной и субнаносе-кундной длительностью.

Поэтому современная аппаратура радиомониторинга и радиопеленгации должна обеспечивать надежный поиск и точное измерение параметров фиксируемых сигналов, в том числе - и в моноимпульсном режиме.

Эффективность аппаратуры радиоконтроля напрямую зависит от характеристик используемых в ней антенных систем и устройств. Важным требованием, предъявляемым к аппаратуре радиопеленгации и радиомониторинга, является надежное и точное разрешение источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот, однако, не менее важным требованием является обеспечение ее высокой живучести, непосредственно связанной со степенью ее заметно-сти, в значительной мере определяемой габаритными размерами антенной системы. Поэтому к антеннам, используемым в аппаратуре радиоконтроля, предъявляются требования минимального искажения принимаемых сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов в угловой зоне ее обзора, обеспечения достаточно высокого уровня сигналов, передаваемых в приемное устройство, возможности разрешения источников радиоизлучения с близкими значениями угловых координат, и вместе с тем, иметь приемлемые габаритные размеры и массу.

Исследованиям в области Теории сверхширокополосной радиоэлектроники, а также разработке широкополосных и сверхширокополосных антенн посвящены работы В.Б. Авдеева, Д.В. Авдеевой, Г.В. Анцева, H.A. Арманда,

Л.Ю. Астанина, A.B. Ашихмина, Л.Д. Бахраха, A.M. Бобрешова, Д.И. Воскре

1 I сенского, А.Ю. Гринева, И.Я. Иммореева, А.Ф. Кардо-Сысосева, А.П. Куроч-кина, В.Ф. Лося, Ю,Б. Нечаева, Ю.Г. Пастернака, И.В. Попова, Д.М. Сазонова,

B.А. Сарычева, Б.В. Сестрорецкого, В.Н. Скосырева, А.Д. Французова,

C.Л. Чернышева, Ю.В. Юханова, В.И. Юдина, А.П. Ярыгина и др.

Тем не менее, ряд важных задач, таких как: излучение и прием сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов с минимальными искажениями их амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик; создание малогабаритных антенных систем, обладающих высокой чувствительностью в сверхшироком диапазоне частот их функционирования; повышение эффективности существующих и разрабатываемых комплексов радиопеленгации и радиомониторинга посредством качественного улучшения входящих в их состав элементов антенных решеток, остается не решенным или решенным не в полной мере.

Данные обстоятельства делают актуальной тему настоящей диссертации, выполненной в рамках ряда проводимых в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж) и ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета - «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Целью диссертационной работы является: разработка методик исследования и коррекции искажений, создаваемых антеннами при излучении и приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, а также проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения анализа состояния теории сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов и перспектив развития антенных систем комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот;

- разработки методики исследования искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых ТЕМ-рупором, щелевой антенной бегущей волны и вибраторной логопериодической антенной;

- создания и исследования методики компенсации искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых логопериодической антенной;

- разработки и исследования методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхшироком диапазоне ее функционирования;

- разработки и апробации методики проектирования антенной системы, элементами которой являются симметричные сверхширокополосные вибраторы, запитываемые неоднородными щелевыми линиями с потерями на излучение.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений, методы натурных экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика, позволяющая оценить амплитудные, фазовые и поляризационные искажения, вносимые сверхширокополосными антеннами (ТЕМ-рупоры, вибраторные логопериодические антенны и щелевые антенны бегущей волны) при излучении и приеме сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов, а также позволяющая проектировать вышеупомянутые антенные устройства, отличающиеся малой степенью искажений структуры сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов;

- разработана и исследована методика компенсации искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов, принимаемых вибраторной логопериодической антенной, основанная на предварительной коррекции фазовых искажений с помощью многозвенного полоскового устройства с сосредоточенными реактивными элементами, возникающих вследствие сильной дисперсии времени задержки спектральных компонентов принимаемых сигналов, и позволяющая существенно сократить эффективную длительность импульсов и сохранить их форму;

- разработана и исследована методика проектирования щелевых антенн бегущей волны, отличающихся улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот, на основе параметрического синтеза согласующих резонансных шлейфов, компенсирующих индуктивный характер входного сопротивления антенных элементов в низкочастотной области их функционирования, позволяющая существенно снизить уровень коэффициента отражения на их входе; •

- предложена и апробирована методика проектирования сверхширокополосных антенных систем, составленных из гибридных элементов, представляющих собой симметричные электрические вибраторы, запитываемые квазищелевыми линиями с потерями на излучение, использование которых в комплексах радиопеленгации и радиомониторинга позволяет уменьшить число подрешеток антенной системы за счет функционирования ее элементов в сверхширокой полосе частот и существенно повысить ее чувствительность в высокочастотной области функционирования за счет направленных свойств гибридных антенных элементов.

Практическая ценность работы заключается в:

- снижении числа литер ^адиопеленгаторных антенных систем, состоящих из гибридных антенных элементов;

- существенном - до 10 дБ — повышении чувствительности аппаратуры радиоконтроля, оснащенной разработанными антенными системами с направленными элементами, не имеющими фазового центра;

- минимизации степени искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых разработанными антенными устройствами и системами.

Разработанные антенные устройства и методики их проектирования могут быть также использованы для совершенствования систем связи, дистанционного управления и радиоэлектронной борьбы.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в: НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж), а также внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения, выносимые на защиту;

- методика оценки причин и степени деформации сверхкороткоимпульс-ных сигналов при их формировании сверхширокополосными антеннами: ТЕМ-рупором, вибраторной логопериодической и антенной Вивальди, а также выявления характера зависимости наблюдаемых искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов от направления их излучения одиночными и в составе радиопеленгаторных антенных решеток элементами Вивальди и ТЕМ-рупорами;

- методика синтеза цепей предварительной фазовой коррекции в двух вариантах исполнения: с использованием только сосредоточенных реактивных элементов и с применением комбинации отрезков полосковой линии передачи с сосредоточенными L- и С-элементами для компенсации искажений фазового спектра сверхширокополосного сигнала, принимаемого или излучаемого вибраторной логопериодической антенной; - методика параметрического синтеза щелевой антенны бегущей волны, входящей в состав радиопеленгаторной антенной системы, позволяющая, при незначительном увеличении габаритов антенны, существенно улучшить ее согласование с фидерной линией в низкочастотной области функционирования высокочастотной литеры;

- методика проектирования сверхширокополосных гибридных антенных элементов и результаты натурных исследований аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, включающей в себя экспериментальный макет антенной системы, составленной из гибридных элементов, позволяющие оценить эффективность применения синтезированных вибраторных антенн, обладающих направленными свойствами в верхней части рабочего диапазона системы радиоконтроля.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XIV-й - XVI-й международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2008 — 2010 гг.), «Иннова-тика 2007» (Сочи, 2007 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2007 - 2010 гг.), научных семинарах ВГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы и содержатся в 13 печатных работах, в том числе: 9 статьях (из них 6 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских и кандидатских диссертаций), 4 докладах на научно-технических конференциях. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [90] - разработка методики оптимизации характеристик антенны; [56 - 59] - разработка методики исследования искажений сверхкоротких импульсов; [83 - 85, 111] - проведение моделирования излучающих структур; [18] - поиск и предварительный анализ публикаций; [90, 91, 110, 112] - изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 188 страниц основного машинописного текста, 97 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 113 наименований использованных источников.

176 • Заключение

В рамках выполнения диссертационной работы разработаны методики выявления причин и оценки степени искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокОполосных сигналов, возникающих при их излучении или приеме сверхширокополосными антеннами, а также методики проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих существенно повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.