автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенны высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем

На правах рукописи

ТАТАРНИКОВ Дмитрий Витальевич

АНТЕННЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО СИГНАЛАМ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ

СИСТЕМ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

0 2 ДПР 2ССЗ

МОСКВА, 2009г.

003466280

Работа выполнена на кафедре «Радиофизика, антенны и микроволновая техника» Московского авиационного института (государственного ■ технического университета) «МАИ»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бей Николай Арсеньевич доктор технических наук, профессор Чебышев Вадим Васильевич доктор технических наук, профессор Вейцель Виктор Абрамович

Ведущая организация - ОАО "Радиотехнический институт им. акад.

диссертационного совета Д212.125.03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: Россия, 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, т. 158-58-62

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, необходимо выслать по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, ученому секретарю диссертационного совета Д212.125.03

Автореферат разослан « ¿ ^ » U1Q.fi)/7?Р< 2009г.

Ученый секретарь диссертационного

А.Л.Минца", г.Москва

совета Д212.125.03 к.т.н., доцент

Сычев М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Последняя декада 20-го века отмечена началом полномасштабного использования сигналов навигационных спутников для нужд промышленности и потребительского сектора экономики. К действующим системам спутников относятся GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). В последние годы началось развертывание системы спутников GALILEO, создаваемых Европейским Сообществом. Планируется к выведению система навигационных спутников КНР COMPASS, развивается японское спутниковое дополнение QZSS. В дальнейшем для всех этих систем спутников употребляется общее наименование ГНСС (Глобальные Навигационные Спутниковые Системы). К числу ГНСС также относят спутники так называемых функциональных дополнений. Эти спутники транслируют поправку, необходимую для повышения точности позиционирования. К числу спутников функционального дополнения с глобальным покрытием относится система OMNISTAR. Следует особо подчеркнуть, что сигналы ГНСС являются общедоступными практически на всей поверхности Земли и, в основном, бесплатными. Это стимулирует бурный рост числа практических приложений. Спутники ГНСС излучают псевдо-шумовые фазоманипулированные сигналы на ряде частот в диапазоне 1...2 ГГц. Аппаратуру потребителя сигналов ГНСС принято характеризовать обобщенным наименованием "навигационный приемник". По принципу действия навигационные приемники относятся к пассивным кодово-фазовым дальномерам.

Применение режимов DGPS и RTK (от английского Real Time Kinematic - позиционирование движения в реальном времени) привело к резкому -скачкообразному - повышению точности позиционирования до 30см и 1см, соответственно (здесь и далее точностные характеристики указаны в среднеквадратическом смысле). Оба указанных режима являются дифференциальными, когда определяется координата потребителя по отношению к базовой станции или сети станций. В режиме DGPS используется разность задержек по коду сигналов между приемником потребителя и базовой станцией. Этот режим является основным для широкого спектра применений в области Гео-Информационных Систем (ГИС). В алгоритме RTK осуществляется разрешение фазовой неоднозначности — когда определяется разность полных набегов фазы несущей, включая целое число длин волн, между потребителем и базовой станцией и каждым из спутников. Вариант алгоритма, работающий в режиме накопления данных с последующей обработкой, позволяет достичь геодезической точности позиционирования в 1мм. С применением аппаратуры RTK осуществляется весь спектр гео-топографических работ -при землеустройстве, строительстве, прокладке магистралей и т.п. В последние годы режим RTK использован для создания серийных образцов автоматических и полуавтоматических строительных и сельскохозяйственных машин. Геодезическая точность используется при

создании опорных сетей, а также с научными целями - изучения дрейфа материков, состояния земной коры и т.д.

Навигационные системы, обеспечивающие точность в 30см и выше, условно относятся к высокоточным. Важная особенность современного состояния отрасли высокоточного позиционирования состоит в том, что основным источником ошибок ' позиционирования является явление многолучевости, когда на вход приемника наряду с прямым сигналом спутника попадает сигнал, отраженный подстилающим рельефом и местными предметами. Основным средством борьбы с этими отражениями является придание нужной формы амплитудной ДН антенны. Также существенным оказывается вклад ошибок и нестабильности фазовой и групповой характеристики направленности антенны. Ключевая роль антенных характеристик для достижения предельно малых ошибок позиционирования многократно подчеркнута в литературе.

Известен ряд реализаций антенн высокоточного позиционирования, принадлежащих ведущим мировым разработчикам и производителям - JPL NASA США, Trimble (США), Leica (Швейцария), Торсоп (Япония), Novatel (Канада), Javad JNSS (РФ/США). Нелишне отметить, что аппаратура компаний Торсоп и Javad JNSS разрабатывается в центрах разработки в РФ в Москве. Из числа серийно выпускавшихся можно отметить образцы антенн компании JPS, созданные в 90-х годах коллективом разработчиков под руководством профессора кафедры 406 МАИ Филиппова B.C. Автор данной диссертационной работы принимал участие в работах этого коллектива в качестве ведущего специалиста. Антенны позиционирования, как и остальная часть аппаратуры, находятся под серьезным давлением обстоятельств конструктивного, эксплуатационного и ценового характера.

На начальных этапах основное внимание уделялось компактным и высокотехнологичным антеннам микрополоскового типа. Известен существенный вклад отечественных и зарубежных специалистов в теорию и технику микрополосковых антенн: Панченко Б.А., Воскресенского Д.И., Филиппова B.C., Нефедова Е.И, Чебышева В.В., D.M.Pozar, D.H.Schaubert. Вместе с тем, проводимая модернизация систем GPS и ГЛОНАСС, а также объявленное развертывание систем GALILEO и COMPASS приводит к резкому расширению полосы частот. Общая протяженность спектра ГНСС сигналов превысит 30%. Технологические возможности по изготовлению и применению печатных антенн оказываются практически исчерпанными вследствие значительной толщины диэлектрической подложки и ее веса. Имеющиеся публикации о применении подложек в виде системы диэлектрических опор или частотно-селективных поверхностей проблемы в целом не снимают. Альтернативой диэлектрическим подложкам могут служить низкопрофильные периодические замедляющие структуры СВЧ, известные с конца 60-х годов (Силин P.A., Сазонов В.П.). Возможности применения таких структур в качестве подложек пластинчатых антенн и основы теории антенн с такими подложками ранее систематически не рассматривались. Дополнительный интерес представляют

многопластинчатые конструкции, позволяющие обеспечить широкую полосу рабочих частот при весьма малом общем габарите.

Основным элементом, определяющим способности антенны к подавлению отражений от подстилающего рельефа, является экран. Он же оказывает существенное влияние на характеристики направленности под скользящими углами. Применительно к задачам высокоточного позиционирования изучение экранов представляет интерес как для оптимизации характеристик антенн малого габарита в резонансной частотной области, так и для оценки потенциальных возможностей по реализации требуемого перепада усиления при пересечении горизонта в больших, по сравнению с длиной волны, системах. Анализ характеристик антенн на проводящих экранах является классическим для антенной теории. Известны точные методы собственных функций, интегральных уравнений, а также асимптотические методы геометрической теории дифракции и краевых волн. С работами по дифракции и характеристикам антенн на экранах связаны имена таких известных специалистов, как Keller J .В., Кинбер Б.Е., Малюжинец Г.Д., Уфимцев П.Я., Вайнштейн JI.A., Васильев E.H., Michaeli А., Гринберг Г.А., PJ. Johansen, Е. Lier, J. Huang , Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Однако, применительно к задачам высокоточного позиционирования, основной интерес представляет источник возбуждения в виде слабонаправленной низкопрофильной антенны, а основное значение имеет диаграмма обратного излучения (ДОИ), известная также из англоязычной литературы как front-to-back ratio (down-up ratio), a также свойства ДН в верхней полусфере вплоть до углов, близких к касательным. Этим характеристикам уделяется значительно меньшее внимание.

Помимо плоских проводящих, представляют интерес импедансные экраны, а также экраны в виде тонких полупрозрачных слоев из композитных материалов. Повышение интереса к импедансным экранам обусловлено появившимися сообщениями о создании низкопрофильных печатных периодических структур, формирующих высокий эквивалентный поверхностный импеданс (D. Sievenpiper). Эти структуры позволяют, в принципе, формировать поверхности весьма больших электрических размеров. Характеристики тонких, по сравнению с длиной волны, полупрозрачных слоев обсуждаются в работах B.Munk, S. Tretyakov, Конторовича М.И., Каценеленбаума Б.З., Федяновича В.И Эти материалы открывают дополнительные перспективы для оптимизации характеристик направленности антенн позиционирования путем управления интерференцией прошедшего и дифракционного полей в теневой области.

Сказанное позволяет сформулировать основную цель исследования в виде разработки теории, методов анализа, оценки характеристик и создания образцов широкополосных малогабаритных

высокотехнологичных антенных элементов и экранов различных

конфигураций для минимизации ошибки позиционирования по сигналам ГНСС.

В соответствие с указанной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи.

1.Разработка теории, методов анализа и конструктивных образцов низкопрофильных широкополосных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков, заменяющих традиционные печатные конструкции.

2.Разработка принципов построения и создание конструктивных образцов широкополосных объемных антенн круговой поляризации общим габаритом в десятые доли длины волны.

3.Построение инженерных оценок и анализ характеристик и потенциальных возможностей плоских проводящих и импедансных экранов, а также экранов из композитных материалов, в том числе для экранов в резонансном частотном диапазоне.

4.Создание образцов антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных навигационных приемников.

Методы исследования. При проведении исследований были использованы аналитические методы теории дифракции, антенн и устройств СВЧ и численные методы на основе интегральных уравнений. Экспериментальные измерения проводились в безэховых камерах с помощью стандартного лабораторного оборудования.

Достоверность и обоснованность определяется корректным использованием математических методов, корректными физическими моделями и хорошим совпадением результатов расчетов с натурным макетированием, а также достигнутыми характеристиками опытных и серийно выпускаемых образцов антенн.

Личный вклад автора. Все основные научные результаты принадлежат автору, что подтверждено личными публикациями. В опубликованных в соавторстве работах и в созданных образцах антенн автору принадлежит постановка задач и определение направлений исследования, а также непосредственное участие в расчетах, экспериментах и анализе данных. Роль автора как руководителя проектирования серийно выпускаемых антенн высокоточного позиционирования отражена в акте о внедрении и отзыве, выданным Московским центром технологий корпорации Топкон (Япония). Автор признателен корпорации за поддержку работы и разрешение на публикацию образцов антенн и их характеристик.

Научная новизна. Разработаны основы теории низкопрофильных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков в виде периодической системы элементов с малым, по сравнению с длиной волны, шагом. Выявлены условия отсутствия значительной нормальной дисперсии в технологически реализуемых подложках. Выявлен эффект расширения полосы частот при использовании подложки в виде периодической замедляющей системы, расположенной по периметру пластинки. Разработаны образцы антенны, работающих в полном диапазоне частот

ГНСС с подложками, выполняемыми экономичными методами литья и штампа.

Выявлен и обоснован эффект значительного расширения полосы частот в пластинчатых конструкциях при наличие емкостных связей пластинок между собой и экраном. Получены оценки оптимальной высоты пластинки для двумерного приближения и оптимального радиуса сферической несущей в объемной конструкции. Созданы образцы конструкций с полосой пропускания свыше 40% при габаритах порядка одной трети длины волны относительно нижней частоты диапазона.

Построено замкнутое аппроксимационное выражение для тока, возбуждаемого ненаправленным источником на плоском проводящем экране. Изучены границы применимости этого выражения путем сравнения с точным численным решением. Получены инженерные оценки характеристик направленности и ДОИ, формируемых плоским проводящим экраном, возбуждаемым ненаправленным источником, источником со слабой направленностью, а также источником со столообразной ДН.

Асимптотически оценены характеристики направленности и ДОИ антенн на плоских экранах импедансного типа.

Построена функция распределения эквивалентного электрического тока полупрозрачного композитного экрана при любых расстояниях от источника. Показано, что характеристики полупрозрачного экрана слабо зависят от фазы (характера) эквивалентного импеданса, при условии, что этот импеданс не индуктивный. Показано, что для экрана заданных размеров существует оптимальный импеданс слоя, обеспечивающий наилучшую ДОИ. Получены оценки ДН и ДОИ для практически реализуемых конструкций.

Разработаны опытные и серийно выпускаемые антенны высокоточного позиционирования.

Практическая значимость. На основе методов и подходов, развитых в работе, созданы конструкции антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных приемников, выпускаемые серийно и зарегистрированные международной службой калибровок геодезических антенн, в том числе: антенна Торсоп РвА5 (Ь1 СРБ/ГЛОНАСС) со щелевым возбуждением; антенны Торсоп РОА1...РОАЗ (Ь1,Ь2 СРБ/ГЛОНАСС) и антенны интегрированных приемников семейства Крег; антенный блок приемника Торсоп СМБ-2 (Ь1 ОР8/ОтшБ1аг) для ГИС применений; антенна Торсоп МОЗб (Ы СРЗ/ГЛОНАСС/ОММБТАК/Веасоп) для ГИС применений; антенны Торсоп С11-С3, РО-А1 и антенный блок приемника СЮ (Ы/Ь2/Ь5 СРБ/ГЛОНАСС); антенный блок интегрированного всечастотного СР8/ГЛОНАСС/ОАЬ1ГЕО/Отшз1аг/ВЕАСОК приемника Торсоп ТгираЛ системы автоматического управления сельскохозяйственными машинами

Использование в учебном процессе. Материалы глав 2,3,4 использованы при подготовке курса "Компьютерное моделирование радиофизических задач" специальности "Радиофизика" МАИ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на международных научных конференциях: 10-ой, 11-ой и 13-ой международных н.-т. конференциях "Системный анализ, управление и навигация", Евпатория, Крым, Украина, 2005,2006,2008 гг., Сессиях Института Навигации ION NTM San Diego, CA, USA 2005,2008, Конгрессе Института Навигации ION GPS-98, Long Beach, CA, USA, 1998 и Симпозиуме Международного Геодезического Общества IGS2004 Workshop and Symposium, 2004, University of Berne, Berne, Switzerland, а также на Объединенном Фельдовском семинаре по электродинамике APS, LEOS and MTT/ED Chapters in Russia Section, ИРЭ PAH, №8,2008r.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 7 статей в журналах, включенных в перечень ВАК, 1 статья в международном научно-техническом отраслевом реферируемом журнале, 8 докладов на международных научно-технических конференциях, 3 международных патента и 1 авторское свидетельство СССР. Автор имеет 6 единоличных публикаций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 151 наименования и 5-ти приложений. Работа без приложений изложена на 209 страницах машинописного текста, включая 77 страниц рисунков и графиков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, выполняется обзор современного состояния отрасли и основных источников литературы, обосновывается актуальность работы, формулируются цель и основные задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу данных общесистемного характера и выработке требований к характеристикам антенн.

Здесь отмечается, что спутники ГНСС размещены на эллиптических орбитах с высотой порядка 20000км. Созвездия спутников сформированы так, чтобы в любой точке на поверхности Земли обеспечивалось наблюдение порядка 6-8 спутников каждой из систем против 4-х минимально необходимых. Это требуется для обеспечения избыточности данных для устойчивого разрешения фазовой неоднозначности в режиме RTK. Спектр сигналов ГНСС состоит из двух поддиапазонов - условно низкочастотного (НЧ) и высокочастотного (ВЧ). Сигналы НЧ поддиапазона содержат сигналы L2 GPS и ГЛОНАСС, вводимые сигналы L5 GPS и L3 ГЛОНАСС, а также сигналы Е5а, E5b, Е6 системы GALILEO. НЧ диапазон имеет среднюю частоту порядка 1240Мгц с общей полосой порядка 12%. Сигналы ВЧ поддиапазона состоят из LI GPS и ГЛОНАСС, а также El, Е2 ОаШео.Также в ВЧ поддиапазон включается функциональное дополнение OMNISTAR. ВЧ поддиапазон имеет среднюю частоту порядка 1575МГц с полосой порядка

6%. Общая протяженность спектра ГНСС составляет 33%. Все сигналы имеют правую круговую поляризацию. Уровни мощности сигналов ГНСС выбраны так, чтобы обеспечить порядка -160dBW на выходе условной приемной антенны с КУ=0с1В. Этот уровень на 20...30 дБ ниже естественного шума. Основной метод работы приемника потребителя сигналов ГНСС -корреляционный цифровой прием.

Для обеспечения точности позиционирования и надежности работы алгоритмов RTK принципиальное значение имеют спутники, расположенные под низкими углами к горизонту. Сигнал этих спутников оказывается в значительной степени подавленным в силу направленных свойств антенны наблюдателя и спутника, увеличенной дальности против зенитных спутников и пр. При недостаточном уровне сигнала наблюдается явление срыва фазового детектора, когда отсчет фазы несущей скачком изменяется на произвольное целое число 2зг. Срыв детектора приводит к необходимости повторного разрешения неоднозначности алгоритмом RTK. Многократно отмечено, что ухудшение отношения сигнал-шум на входе приемника для низких спутников на 1дБ приводит к росту вероятности срыва фазового детектора приблизительно вдвое.

В дифференциальном режиме RTK подвижный навигационный приемник (так называемый ровер) для каждого сигнала каждого из Q спутников определяет оценку разности фаз несущей между фазовыми центрами антенн ровера и базовой станции, расположенной в точке с известными координататми

У, = УЧ +Arq+r + Nq (1.1)

Здесь Уд = Уд - ybq - точное значение, - ошибка, f - оценка

разности шкал времени приемников базы и ровера, Nq - разность целочисленных неоднозначностей шкал фаз для сигнала q-ro спутника, q=l...Q. Из (1.1) вытекает система уравнений для ошибок позиционирования Ar

АХ, = Аг - х

"................. (1.2)

Здесь Л01 - единичный вектор направления на q-тый спутник, к = 2л!Л. Система (1.2) решается методом наименьших квадратов. Определитель матрицы [лтА), где А - прямоугольная матрица системы (1.2), имеет наименование DOP (от англ. Delution of Precision - ухудшение точности). DOP показывает ухудшение ошибки позиционирования по сравнению с ошибкой фаз несущих за счет геометрического фактора расположения видимых спутников на небосводе. В среднем для оценки полагают DOP и 3. Из геометрических соображений очевидно, что в

отсутствие спутников с низкими углами возвышения к горизонту обусловленность системы (1.2) падает и DOP резко возрастает.

При достаточно малых расстояниях между базой и ровером (практически - вплоть до дальностей в 20...25 км) основной вклад в ошибку

измерения фазы АУч вносят явление многолучевости и фазовые характеристики направленности антенн. Влияние всех этих ошибок оценивается в пределе, считая, что за сеанс наблюдений траектории спутников равномерно покрывают весь небосвод. Ошибка позиционирования в реальном времени оказывается хуже определенной таким образом в DOP раз. При сделанном предположении решение (1.2) имеет вид смещения координат среднего фазового центра антенны за счет ошибок Ау{в,Ф), " распределенных по верхней полу-сфере. Здесь в,<р - угол места и азимут, соответственно.

В отсутствие других ошибок А y(ß,<p) совпадает с фазовой характеристикой направленности антенны. Анализ показывает^ что горизонтальные ошибки позиционирования пропорциональны амплитуде первого члена ряда Фурье фазовой ДН по азимутальному углу при существенном вкладе низких углов. Ошибка по вертикали превосходит 1см при ошибке фазовой характеристики в единицы градусов (с учетом DOP=3) для направлений, близких к скользящим к горизонту.

Оценка вклада многолучевости проведена при наличие одного отраженного сигнала. Здесь фазовая ошибка многолучевости дается соотношением = arcíg (/?sin(A£ )/(l + ß cos(A£))), где ß, A£ относительная амплитуда и фазовый сдвиг отраженного сигнала по сравнению с прямым. При типичных сценариях для открытой местности основным источником отражений является постилающий рельеф. При высотах антенны порядка 2-Зм над поверхностью рельефа след первой зоны Френеля на поверхности оказывается порядка метров и более. В этих условиях для отражающая поверхность аппроксимируется плоской. Анализ коэффициентов отражения Френеля для большинства видов почв показывает, что антенна оказывается, в целом, согласованной по поляризации с отраженным сигналом. Коэффициент отражения составляет порядка -Здб и меньше (по абсолютной величине). Поэтому для оценки влияния многолучевости под ß понимается ДОИ как отношение значений

амплитудной ДН антенны под некоторым углом возвышения в' ниже и выше плоскости горизонта в местной системе координат. Это отношение в

дальнейшем обозначается DU(ee)= f(-0')/F(9e) и Du(ee).

Типичная кусочно-линейной аппроксимация ДОИ показана на рис 1.1. Первая кривая характерна для антенны подвижных объектов (ровер), вторая - для существующих антенн базовых станций, имеющих импедансный кольцевой экран, третья и четвертая приведены для гипотетических антенн, имеющих быстрый перепад ДОИ под скользящими (низкими) углами к

Рис 1.1

горизонту. Оценка ошибки по вертикали для этих кривых показывает, что эта ошибка (с учетом БОР=3) составляет 12мм для ровера, Змм для антенны базовой станции, 1.5 мм для кривой 3 и менее 0.5мм для кривой 4. Эти оценки близки к реально наблюдаемым для существующих конструкций и служат для оптимизации ДОИ. Они подчеркивают необходимость анализа и оптимизации ДОИ включая низкие (касательные к горизонту) направления.

Антенны, применяемые для систем позиционирования, являются слабонаправленными. Идеальная антенна позиционирования имеет единичную ДН в верхней полусфере, ноль в нижней и КНД +ЗдБ. Реальная антенна в типичном случае имеет перепад усиления от зенита к горизонту порядка Ю...15дБ и уже отмеченные особенности ДОИ. ДН в верхней полусфере такой антенны хорошо аппроксимируется выражением Г(в) = (А + соз(0))/(Д +1), где А определяет относительный уровень ДН в направлении на горизонт. Графики КУ, рассчитанные с помощью этой аппроксимации, показаны на рис. 1.2. Параметром является падение усиления в направлении на горизонт по отношению к зениту. Основной вывод состоит в том, что усиление антенны в направлении на горизонт может варьироваться в значительных пределах практически без изменения максимального КНД.

Рис 1.2

Вместе с тем, как уже отмечалось, падение усиления в направлении на горизонт приводит к существенному росту вероятности срыва фазового детектора приемника. Вследствие этого антенны высокоточного позиционирования не могут быть оптимизированы по какому-либо

критерию, связанному с максимальным КНД. Оптимизации подлежит уровень усиления в направлении на горизонт при уже указанных ограничениях на ДОИ.

Обзор характеристик антенн позиционирования завершается анализом отношения сигнал-шум на входе приемника. Оценка показывает, что при типичном факторе шума высококачественного малошумящего усилителя в 1.8дБ и температуре внешних шумов порядка 100К падение КПД антенны до -1дБ приводит к ухудшению отношения сигнал-шум на 1.8дБ. Крайняя нежелательность падения этого отношения для низких углов к горизонту (экрану антенны) уже отмечена. Между тем, для обеспечения азимутальной равномерности фазовой ДН, как правило, применяется многоканальное квадратурное возбуждение антенны. С учетом этого полные потери собственно в антенне, включая рассогласование в полосе частот, не могут превышать десятых долей дБ. Это налагает весьма жесткие ограничения на характеристики, -а также на выбор конструкции и материалов.

Таким образом, в данной главе подчеркнута определяющая роль характеристик антенны в направлениях, близких к скользящим к горизонту (экрану антенны), показано значение возможно более быстрого уменьшения ДОИ под малыми углами, показано, что суммарные потери в антенне, включая рассогласование в полосе частот,' не могут превышать величин порядка десятых долей децибела без заметной потери качества слежения за сигналами спутников.

Вторая глава посвящена разработке теории, путей построения, методам анализа и результатам исследования и конструктивного воплощения антенн пластинчатого типа с подложками из искусственных диэлектриков.

Оценка ширины ДН пластинчатой антенны на идеально проводящем экране показывает, что при допустимом падении усиления на горизонт в 10..15 дБ минимально допустимая величина эффективной диэлектрической проницаемости подложки должна составлять порядка четырех единиц.

Отличительной чертой периодических замедляющих структур по сравнению со сплошной средой является дисперсия замедления. Для оценки влияния дисперсии в подложке на добротность антенны использована модель пластинчатой антенны прямоугольной формы в виде четвертьволнового закороченного отрезка линии передачи, нагруженного на проводимость излучения торцевой щели. Эта модель показывает, что добротность О

между пластинкой и экраном, а>а - резонансная частота, р - замедление. Таким образом, влияние нормальной дисперсии с ¿;3/Л»>0 негативно и с ростом замедления уменьшается.

Анализ замедления в структуре, содержащей одну идеально проводящую плоскую границу, а другую - импедансную, отнесенную на расстояние с!, показывает, что при формировании импеданса с помощью

составляет

волны, Ь - расстояние

гребенчатой структуры глубиной Ь, при Ь,(1«Я, замедление + Поэтому низкопрофильная структура в принципе обеспечивает сколь угодно высокое замедление при достаточно узком зазоре. Для применения в качестве подложки, однако, предел увеличению замедления обусловлен погрешностями изготовления малых зазоров.

Более предпочтительной оказывается встречная ребристая структура с взаимно проникающими пазами. Замедление в такой структуре с периодом Т в первом приближении можно оценить по удлинению геометрического пути, что дает р «1 + 2ЫТ. Замедление, таким образом, не зависит от зазора между концами гребней и противолежащей плоской поверхностью. Этот зазор может использоваться в качестве регулировочного параметра.

В антеннах круговой поляризации, где возбуждаются два ортогональных типа колебаний пластинчатого резонатора, ребристые структуры не пригодны. Это мотивировано тем, что для типа колебаний с токами, параллельными гребням, наличие ребристой структуры приводит не к замедлению, а лишь к изменению волнового сопротивления эквивалентной линии. Поэтому для антенн круговой поляризации искусственная замедляющая среда строится на основе двумерно-периодической системы штырей.

Для предварительной оценки величин замедления в периодических структурах с малым шагом, при которых начинает проявляться дисперсия, использована цепочечная модель в виде отрезков линии длиной 1 с волновым сопротивлением и постоянной распространения у, каждый из которых нагружен на параллельную емкость С. Заполнение линии предполагается воздушным. Расчеты с помощью характеристического уравнения такой структуры со$(й)рис)=со5у1-соСЯгвт)'1/2 (где с - скорость света в пустоте) показали, что дисперсия становится заметной при р>7...8, и тем более заметна, чем больше 1. Таким образом, в диапазоне требуемых значений замедления вплоть до 5...6 при периодах 0.03Л дисперсия оказывается пренебрежимо малой.

Дня оценки технологически реализуемых величин замедления и возможной дисперсии выполнен точный электродинамический анализ двумерно - периодической штыревой замедляющей структуры на основе модели в виде численного решения интегрального уравнения методом моментов. Эскизы односторонней и двусторонней структур показаны на рис 2.1а, б. При разработке модели учтено, что для обеспечения ширины полосы пропускания, требуемой для аппаратуры позиционирования, типичным является расстояние между пластинкой и экраном порядка 0.05...0.07 длины волны или 1..Л.5 см. Изготовление такой штыревой структуры экономически целесообразно с помощью разновидностей методов литья. По соображениям электродинамического характера, изложенным выше, периоды структуры необходимо делать как можно меньшими. Однако возможности литейной технологии обуславливают отношение диаметра штыря к его длине порядка 1/6 и более при периодах порядка 2..3 диаметров. Таким образом,

периоды структуры, подлежащей рассмотрению, оказываются порядка 0.025...0.03 длины волны, а диаметры штырей - в 2-3 раза меньшими периодов.

Исходным для анализа является интегральное уравнение первого рода для электрического поля, решаемое методом моментов. Проекционный аналог этого уравнения имеет вид

$ «■ 5 л

Здесь ут - базисные функции разложения тока штыря, 1т - неизвестные амплитуды, 6 - тензор Грина для электрического поля в двумерно-периодической структуре, интегрирование производится по поверхности штыря (штырей) в пределах периодической ячейки. Тензор Грина <3

разлагается по полной системе собственных волн ё, периодической структуры. Требуемые выражения для тензора Грина приведены в Приложении 1 работы и имеют вид . - .

Рис 2.1 а) б)

Л (2.2)

'о

тп

( \

7 с 1тп :\тп

тп

IV У

Здесь символами -Цг отмечены поперечные (параллельные экрану) и продольные (перпендикулярные к экрану) компоненты,

Т? {г, г), 2; (2, г'), УХтп (г, Тх'тп (г, г) - модальные функции Грина телеграфного уравнения, 2\т„ - характеристические сопротивления Е-волн, э^ртп - мультииндекс, ® - диадное произведение. Распределение тока по штырю описывается методом конечных элементов. Это распределение считается равномерным по азимуту, что допустимо в силу малости диаметра штыря при периодах двумерно-периодической сетки порядка 3-х диаметров.

Распределение тока по длине штыря аппроксимируется набором из двух треугольных функций - одной с максимумом на основании штыря, и другой — у вершины, что позволяет более точно описать заряд на конце штыря. Функция, имеющая максимум на вершине штыря, дополняется током, затекающим на вершину. Этот последний обращается в ноль на оси. Характеристическое уравнение для собственных волн структуры получается путем приравнивания определителя матрицы взаимных сопротивлений базисных функций к нулю. На рис 2.2 представлены результаты расчета замедления в зависимости от радиуса штырей а. Толщина структуры предполагалась равной 0.05 длины волны, зазор между штырями и пластинкой составлял 1мм, что приемлемо с точки зрения погрешностей изготовления. Шаг структуры предполагался 0.03 длины волны. Из графиков следует, что замедление растет почти прямо пропорционально радиусу штыря, что обусловлено ростом емкости штыря на противолежащую плоскость. Расчеты с учетом только нулевой гармоники поля - т.е. по -существу с помощью усредненных импедансных граничных условий - дают несколько завышенной значение замедления.

коэффициент замедления о=о.С5' I

тнмз' I

Ту=0.03' I

—♦—а=0.003 -»-8=0.005 —i—а=0.007

.....даужеЕная асиштстш .

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

1)М

Рис 2.2

В целом, при радиусе штыря порядка 0.01 длины волны (2мм) структура обеспечивает замедление порядка 2, что соответствует эффективной диэлектрической проницаемости порядка 4. Исследования зависимости замедления синтезированной структуры от частоты показали, что в полосе частот порядка 40% дисперсия отсутствует.

Дальнейшие исследования показали, что штыри в центральной области пластинки, расположенные в зоне слабого электрического поля, оказывают незначительное влияние на характеристики и могут быть удалены. С точки зрения технологии при использовании периодической замедляющей системы, расположенной на периферии пластинки, открываются возможности изготовления антенны методами штамповки или высокоточной резки. Оценка добротности пластинчатого резонатора, эквивалентное замедление в котором обеспечивается емкостным элементом, включаемым на периферии, показала, что добротность снижается на 20% по сравнению со сплошной диэлектрической или искусственной средой. Это позволяет

дополнительно уменьшить габарит антенны при заданной полосе пропускания. При анализе эквивалентного замедления в такой структуре учитываютя два фактора, обуславливающих эквивалентное замедление: замедление в микрополосковой линии Р1 за счет периодической системы емкостных элементов, вытянутых вдоль периферии пластинки в продольном направлении для каждого из двух ортогональных линейно-поляризованных колебаний, и дополнительное уменьшение резонансного размера р2 за счет концевых емкостных элементов, вытянутых в поперечном направлении. Обозначая емкостное сопротивление одного элемента через Хп, из условия идентичности обеих систем элементов получаются выражения

= и А + , +1> которые совместно с

Хсл Л0 2 рг п 2 р2 2/Зг )

выражением для общего замедления р = /?, /?2 позволяют определить

зависимость —~{0) ■ Анализ этой зависимости показал, что при

Хсл

эквивалентном замедлении р = 2 площадь перекрытия обкладок воздушного емкостного элемента составляет порядка единиц квадратных мм при зазоре порядка 1мм. Такие параметры несложно выдерживаются при технологическом процессе.

На рис. 2.3 а показана фотография серийного образца пластинчатой антенны круговой поляризации с литьевой подложкой, обеспечивающей прием всей совокупности сигналов спутниковых систем ОРЗ/ГЛОНАСС/ОАЫЬЕО/СОМРАЗЗ/дгЗБ и системы передачи дифференциальной поправки ОММЗТАК.. Антенна представляет собой совокупность двух этажей, обеспечивающих работу в двух частотных диапазонах ГНСС. В конструкции достигнута эффективная диэлектрическая проницаемость штыревой подложки порядка 4 в соответствие с приведенными оценками и результатами расчета.

70мм

Рис 2.3 а)

70мм

Круговая поляризация каждого из этажей обеспечивается квадратурным возбуждением четырех штырей, расположенных на осях симметрии пластинки. На фотографии видна печатная схема возбуждения верхнего этажа. Она же выполняет функции излучающей пластинки.

На рис 2.36 показана фотография опытного образца антенны с характеристиками, аналогичными антенне рис 2.3 а, эквивалентное замедление в которой обеспечено с помощью емкостной рамки. Конструкция выполнена по технологии лазерной резки с последующей гибкой по контуру. Антенна имеет меньшую толщину (высоту) по сравнению с образцом рис. 2.3а вследствие отмеченного уменьшения добротности.

Таким образом, в данной главе рассмотрены основы теории, методы анализа и характеристики пластинчатых антенн дециметрового диапазона волн с подложками, выполняемым методами литья или штампа. Реализованы образцы полноволновых приемных антенн ГНСС.

Третья глава посвящена широкополосным объемным конструкциям пластинчатого типа малого габарита. Практическая целесообразность такого рассмотрения обусловлена стремлением в ряде высокоточных приложений применить антенный элемент, имеющий один общий выход на всю полосу частот сигналов ГНСС.

Рассматривается двумерная модель в виде металлической пластинки (ленты), размещенной в закороченном на одном конце бесконечном плоскопараллельном волноводе. Предполагается, что пластинка размером Ь расположена на расстоянии Ь от короткозамыкателя. Ширина волновода равна Б. В условиях одночленного резонансного приближения тока пластинки ее собственное сопротивление приобретает вид

■ 3 * . ЯД

Здесь

(3.1)

с =

Хя(й + £)] + сог0 х. (п -

~1л Ш^Рп =

1; 12:

л = 0 и* О

=»

й'

Расчеты показали, что при высоте 11=0.15 длины волны при наличии заметной емкости пластинки на стенки волновода, частотные кривые реактивной части входного сопротивления (показаны на графике рис 3.1) приобретают выпуклый характер, незначительно отличаясь от нуля в пределах весьма заметного (порядка 50%) частотного диапазона. Таким образом, возникает эффект существенного расширения полосы рабочих частот. Параметры Б и Л для указанного графика сведены в таблицу 1.

Выявленный эффект допускает аналитическую демонстрацию путем выделения из (3.1) вклада единственной докритической собственной волны типа Т. Эта волна определяет индуктивную составляющую входного

сопротивления, пропорциональную зш(2 кИ). Последнее достигает максиму;.« при А = Я/8. Остальные члены ряда определяют емкостную составляющую, при этом зависимость от частоты полной реактивной составляющей носит выпуклый характер с точкой перегиба вблизи нуля. При дальнейшем увеличении высоты Ь индуктивность уменьшается, а емкостная составляющая растет, приводя к рассогласованию. Указанная высота Ь названа оптимальной. При этом активная часть входного сопротивления от частоты зависит слабо.

Ь-0.15 1 2 3

Б 0.7 0.4 0.35

I 0.435 0.37 0.33

Для перехода от двумерной модели к трехмерным конструкциям рассмотрена аксиально-симметричная система из М сферических сегментов угловой протяженности Д0 , Д<р по углу места и азимуту, соответственно. Центр сегмента с номером т расположен в точке (05, 2тсш/М) по углу места. Радиус сферы - а. Предполагается, что система сегментов расположена над идеально проводящей плоскостью.

Ток одного сегмента записывается в виде низшего резонансного колебания по углу места. Предполагается, что сегменты возбуждены первой азимутальной гармоникой для обеспечения круговой поляризации. Поле сегмента записывается в виде разложения по сферическим гармоникам. Полное входное сопротивление сегмента с номером а будет

до у М-1

/7=0

Здесь сумма вкладов сферических гармоник поля Е- и Н- типа

21/+ 1 <у-п)Щз

БШ

пА<р

пА<р

+ kWK (ka)Rt Сka)[I»(9S) + 9Ж (0S)

2

m)= \ -

да sm0

\2kr

dPn(cosd) " K 'sin(6)de

39

/CQJjL(e-9,)) = f ■ a--^"(cos0)de,

J _ С1П *

да 2

sin в

p"(cos0) . присоединенные функции Лежандра.

Анализ азимутальных ДН показал, что для обеспечения азимутальной однородности ДН в пределах 0.1 дБ и фазовой однородности в пределах единиц градусов линейный размер одного сектора по основанию не должен превышать четверти длины волны. В частности, при радиусе сферы 0.3 длины волны необходимо 8 секторов. Частотные кривые входного сопротивления сектора показаны на рис 3.2.

рис 3.2.

Здесь при радиусе сферы 0.31. наблюдаются те же характерные зависимости, что и для двумерной модели. Фотография экспериментального макета антенны показана на рис 3.3. Радиус полусферы составил 42мм, что соответствует 1/6 длины волны на нижней частоте ГНСС диапазона. Для возбуждения структуры применен нерезонансный пластинчатый возбудитель, связанный с пластинками емкостным образом. Экспериментальная частотная кривая КСВ показана на рис.3.4. По оси

Рис 3.3

абсцисс отложена частота в ГГц. Антенна обеспечивает ширину полосы 41% по КСВ не более 2.

3.50

Рис 3.4

Таким образом, в данной главе исследован и обоснован эффект оптимальной высоты размещения пластинчатого элемента над экраном (оптимального радиуса сферы) при условии емкостной связи пластинчатого элемента со стенками волновода или пластинчатых элементов между собой и экраном. Реализован опытный образец антенны общим габаритом порядка ЛУЗ относительно нижней частоты диапазона с полосой пропускания 41%.

Четвертая глава работы посвящена анализу наиболее употребительных плоских проводящих экранов приемных антенн потребителя сигналов ГНСС. Рассмотрение выполняется для Е-плоскости одной из двух линейно-поляризованных составляющих поля антенны (края экрана перпендикулярны к вектору Е). В Н-плоскости, в отличие от Е-, излучение зеркальных относительно экрана токов антенны противофазно к первичным токам. В связи с разнообразием применяемых конструкций антенн рассмотрение проведено с помощью универсальной модели возбуждения полосы нитью магнитного тока.

Электрический ток, возбуждаемый нитью магнитного тока с амплитудой и, лежащей на верхней стороне идеально проводящей полуплоскости на

У =и—2

4Г„

расстоянии а от ребра, записывается в виде разложения по цилиндрическим функциям

Ц- Л (кг)Н(02> (ка) + ./„ (Ь) соз(%); г<а

"=12 2 *

1 - И (4Л) -30(ка)Н?(кг) + ^„(ка)Н^(кг)со5(~<р)- г > а

^ п=1 2 2

Здесь У„(х),Я^2'(д:)-функции Бесселя и Ханкеля второго рода порядка п, соответственно. Используя теорему сложения для цилиндрических функций, ток на освещенной стороне полуплоскости преобразуется с выделением тока бесконечной плоскости (физической оптики) и краевой волны.

(4.2)

ГФ0(г) = Г(г) = и^-2НУ(кг)

4Ж,

Укр(г,а) = и—2 4Г„

I (Ь-)Я<2> (Ь) + 2] (У , (кг)Нт^ {ка) - (кг)Н% (ка))

-1У0(ка)Н^2)(кг) +1;(У , (ка)Н{2\ (кг)-^(ка)Н™(кг))

2 "5 /

(4.3)

Ток на нижней стороне полуплоскости состоит только из краевой волны. Прямые расчеты показывают, что ток краевой волны, нормированный к значению "падающего поля" (4.2) на ребре, практически не зависит от расстояния а от источника до ребра. Сказанное справедливо, начиная с расстояний а в одну десятую длины волны и более. Это нормированное распределение хорошо аппроксимируется выражением

1

&0.024Я

-Й(Г+(Ш(1-!Г3"))

'е (4.4)

1 к(г + 0.024А)

представляющим собой слегка замедленную цилиндрическую волну, которая быстро ускоряется и на расстоянии порядка 0.1 длины волны от ребра переходит в обыкновенную цилиндрическую. Полный ток экрана получается путем суммирования переотражений краевых волн и имеет вид

У^сМ)-

3'{х'а)" 1 Г {/■' (£ - а) - /"0О (Ь + Д)С" (2£))0'» (£ - х) +1 (4-5)

Для оценки точности (4.5) выполнен численный анализ с помощью решения интегрального уравнения первого рода методом моментов. Проекционная запись уравнения имеет вид:

I (I

\¥а \с{х-х^1п¥п<к' + и8{х-а)Ъ

£с = 0

(4.6)

Здесь Ут - базис конечных элементов в виде треугольных функций с

носителем 21, 1п - неизвестные амплитуды, Ь - полуразмер экрана. Функция Грина в представляет собой поле двумерного электрического диполя. Она записывается в- спектральной или непосредственно в пространственной области. Расчеты с помощью (4.6) показали, что погрешность замкнутого аппроксимационного выражения (4.5) не превышает 10%, начиная с размера экрана 2Ь в 0.16 длины волны.

Дальнее поле определяется как сумма полей источника и тока экрана в свободном пространстве. Последнее представляется в виде суммы вкладов тока физической оптики и краевых волн.

При анализе ДН и ДОИ рассмотрены два случая, определяемые практическими соображениями: экраны (ленты) малого размера порядка десятых долей длины волны и экраны весьма большого размера, порядка нескольких длин волн или нескольких десятков длин волн. Первый относится к анализу антенн подвижных объектов, второй - к возможности достижения предельных характеристик антеннами базовых станций.

На графиках ДОИ для экранов малого-размера рис (4.1) характеристики, рассчитанные по полному току (4.3) показаны сплошными кривыми, а характеристики, рассчитанные по току (4.2) физической оптики- пунктиром. Источник располагался в центре экрана. Можно выделить экран полушириной порядка 0.3 длины волны. Здесь достигается наилучшее значение ДОИ при относительно низких углах к горизонту при сохранении уровня лучше -ЮдБ в направлении нормали. Экраны такого размера находят применение при практическом конструировании антенн подвижных объектов.

Для экранов большего размера ДОИ удобно оценить асимптотически для двух секторов углов: так называемые "высокие углы" вблизи нормали к плоскости экрана и так называемые "низкие углы" вблизи скользящих к экрану направлений.

Для высоких углов оценка ДОИ имеет вид

Лпе

ЦЧЛ-г)

4

1 + 0.408е 2

-4Е-1

(4.7)

Второе слагаемое в знаменателе обусловлено вкладом краевых волн. Как

видно, учет этого вклада дает поправку порядка ЗдБ в сторону ухудшения.

Для низких углов ф порядка 10...20 градусов от плоскости экрана оценка имеет вид

V1

-¡2л\(р\е 4г 2

-гМ-1

1 + \<р\л /т- 0.151е~'02"е'4 е

-,24(1-^-)

(4.8)

Вклад краевой волны (второе слагаемое в знаменателе) здесь незначителен и может быть опущен.

Рис 4.1

Асимптотические оценки и точные расчеты показали, что вследствие интерференции эквивалентных источников, расположенных на кромках экрана большого электрического размера, наблюдаются осцилляции ДН в верхней полусфере и задние лепестки в нижней. В частности, при полуширине экран порядка одной длины волны образуется снижение уровня ДН в направлении нормали в верхней полусфере, что приводит к заметному ухудшению показателей ДОИ. В этом смысле экран с указанной полушириной оказывается не лучше экрана вдвое меньшего размера. В целом, для обеспечения ДОИ свыше -20дБ требуются экраны размером порядка 10 длин волн и более.

Для анализа характеристик слабонаправленной антенны используется модель в виде двух синфазных равноамплитудных гатей магнитного тока, разнесенных на расстояние 2а. Результаты показывают, что ДОИ для низких углов от направленности источника практически не зависит. Для высоких углов ДОИ уменьшается (улучшается) пропорционально уровню освещенности краев экрана полем источника. Однако практические возможности улучшения ДОИ за счет управления шириной ДН для приложений к задачам позиционирования ограничены, так как значительное обужение ДН неприемлемо по причинам, указанным в Главе 1.

Для анализа возможности улучшения ДОИ при одновременном сохранении требуемого усиления антенны для низких углов к экрану рассмотрено влияние экрана на характеристики антенны со столообразной ДН. Под столообразной понимается ДН, которая имеет весьма низкий уровень в направлении на края экрана (при ф=0) и затем быстро возрастает, достигая неизменного уровня, начиная с малых ср. Особенности работы

экрана с антеннами такого вида состоят в том, что края экрана находятся в ближнем поле антенны.

Оценка области ближнего поля выполнена путем синтеза источника в виде магнитного тока полу-цилиндра на бесконечном экране методом ряда Фурье. Использована трехчленная аппроксимация ДН источника в виде

Ру,{(р) = 2а„ + 2а2 соз2<р + 2ак С(к4<р\ а0 я 0.5; аг = а( в -0.25

(4.9)

Предполагается, что размер конечного экрана достаточно велик и края экрана мало возмущают распределение тока источника. Определяя амплитуды азимутальных гармоник магнитного тока на цилиндре, обеспечивающего заданную ДН в приближении бесконечного экрана, для составляющей магнитного поля, параллельной оси цилиндра, получается выражение

Н:=^а2„е-т'2соз(2п<р)Н^(кг) (4.10)

л-О

Здесь радиальная координата г отсчитывается от оси цилиндра. С помощью первых двух членов асимптотики функции Ханкеля при больших кг из (4.10) получается оценка протяженности ближнего поля, которая показывает, что для большинства практически интересных случаев экран целиком находится в ближнем поле. Поле излучения источника на конечном экране в приближении физической оптики записывается в виде

^Хг'О^ {(р) _ (Н;(9)+Я/(4 0<<р<л

г{н;{<р)+н;{<р%х<<р<ик

Здесь н* (р\ #/(?>) - вклад токов, дополняющих конечный экран до бесконечного. Полагая, что в плоскости экрана ДН источника обращается в ноль и учитывая первый высший член асимптотики токов экрана, ДОИ приобретает вид

V"

Я,=

(4.11)

Щ<Р) =

{<р)е *

/ \

--1

(4.12)

Асимптотическая оценка (4.12) при больших 1с1/ дает 41ле~* 1{кЬуе'1*1 /2^(а2„2п2)|-11 В частности, показывается, что

Ш(|) =

для высоких углов, ДОИ источника со столообразной ДН ниже (лучше) аналогичного параметра для ненаправленного источника при

1>

Еа2»4п'

/¿ = 0.82. Таким образом, преимущества антенны со

столообразной ДН проявляются уже при относительно небольших размерах экрана. Допустимый размер такой антенны нуждается в уточнении с учетом

ограничений на сверхнаправленность. Для низких углов, в отличие от рассмотренных случаев, имеется возможность управления ДОИ за счет повышения крутизны ДН источника.

На рис.4.2 показаны графики ДОИ для слабонаправленного источника (пунктир) и для источника со столообразной ДН (сплошные кривые). Графики построены для экранов полным размером б и 20 длин волн. Можно отметить значительные преимущества характеристик антенны со столообразной ДН.

Таким образом, в данной главе получено аппроксимационное выражение для тока и рассмотрены особенности характеристик плоских проводящих экранов, возбуждаемых ненаправленным и слобанаправленным источниками, а также источником со столообразной ДН.

В пятой главе работы рассматриваются перспективные экраны импедансного типа и полупрозрачные экраны из композитных материалов.

Для оценки распределения эквивалентных поверхностных электрических и магнитных токов импедансного экрана, возбуждаемых нитью магнитного тока с амплитудой ит, используется спектральное представление полей и метод перевала. Параллельная источнику и касательная к экрану компонента полного магнитного поля записывается в виде

я; = = 1тС < О (5.1)

¿71 л С.

к ■

Здесь - поверхностный импеданс экрана, х - расстояние от источника. При достаточно высоком импедансе с емкостной реактивностью и кх»1 (5.1) имеет асимптотическое представление

Я.

1Г .У к „,ь(1 + /)3л/^ 1

(¿с)

2 л- Ж,

(5.2)

или эквивалентные поверхностные электрическии и магнитный ток Л(х) = #?(*), у™ (х) = (х). В приближении физической оптики поле излучения записывается аналогично (4.11), причем поле источника на бесконечном экране имеет вид

Цт к__

(5.3)

я:

2 /г ГГ. . ,

0 БШйЛ- —

Это дольнее поле имеет значительную угловую неравномерность и в касательных к экрану направлениях обращается в ноль. При весьма высоком импедансе, когда ^/РГ^»!, (5.3) перестает зависеть от импеданса. Поля дополнительных частей в (4.11) определяются суммой вкладов эквивалентных электрических и магнитных токов

2 ^ якг

БШ ф-

О У

17я 1 (1 + /)3

Л2 7 3 I ^

^ И. с2

2я IV,

IV,

(5.4)

В частности, падение ДН ненаправленного источника в касательных к экрану направлениях на импедансном экране конечных размеров определяется соотношением

1 + £

К

/-

о/

2, 1

-12л*ЛсЕ

(5.5)

При достаточно высоком импедансе это отношение не зависит от импеданса и определяется только размером экрана. Характеристика ДОИ принимает вид

пим*

4

.1* 4

О У

-л

БШр-

г,"

(5.6)

Видно, что ДОИ перестает зависеть от импеданса для любых углов ср при весьма высоком импедансе. Кроме того, ^/^»вт<р для малых ф уже при умеренных величинах Совокупность этих обстоятельств

значительно снижает требования к характеристикам импедансной

поверхности. На рис 5.1а.б показаны графики ДОИ для экранов полным размером 2,10 и 20 длин волн.

ч К*2 ■Н-10

\ N =И= но

\ \ > V (

1 к ТУ \Л

N Чм м, ас ¡11(

2,-

-ИУУ»

О 10 20 30 40 30 60 70 10 90

1 1П

V 20

N ;—

\ N и с

V лу, а щ я

* ч

О 10 20 30 40 50 60 70 М 90 ♦

Рис 5.1

а)

б)

Можно отметить, что эти характеристики сопоставимы с источником со столообразной ДН на проводящем экране.

Асимптотика ДОИ при больших кЬ следует из (5.6). В частности, при Ф~тс/2

V1

л/2х(Ы.у

1--

о;

1 + -

цА

о У

Т¥„

ДЛЯ

малых

\->

-л/2я(<рШ?е

-*нТ7)+1

При анализе характеристик слабонаправленной антенны показывается, что, аналогично идеально проводящему экрану, ДОИ для низких углов от характеристик направленности антенны не зависит, а для высоких углов уменьшается (улучшается) пропорционально значению ДН антенны в направлении на края экрана.

Рассмотрение полупрозрачного экрана основано на приближенных граничных условиях для тонкого слоя в виде

= е:т = Е:

2 у Л

(5.7)

Здесь символами 1,3 отмечены касательные проекции векторов поля на верхней и нижнеи поверхности слоя, соответственно, Л - поверхностная плотность эквивалентного электрического тока, Ъ^ - параметр, имеющий размерность сопротивления и называемый импеданс слоя. Предполагается, что импеданс слоя мал и имеет, вообще говоря, комплексный характер с емкостной реактивной составляющей.

Методом спектрального разложения падающего поля показывается, что плотность эквивалентного электрического тока экрана имеет вид

1 ит. i "fg-to i с ,

2 2л ZL¿ £ + (18)

2 ZLk

Асимптотическая оценка этого тока при кх»1 имеет вид

., Um к _¡fct 4 V2ff _2т ч

Здесь функция Q(u) имеет свойства Q(u)~l при u«l, Q(u)=l/(2u) при и—'•со и записывается в виде Qifi к*) ~ J ^F] shxdT Параметр

.я _

Р = -Í2eA2L/W0. Таким образом, при far»1, \p\4kx «1 ток полупрозрачного экрана совпадает с идеально проводящим. Кроме того, сравнивая точное спектральное представление (5.8) с аналогичным для идеально проводящего экрана,

гтт -i *> --Л«

du (510)

2л- К i Q

видно, что характер особенности при х->0 этих двух выражений совпадает. Таким образом, можно предположить, что выражение для тока полупрозрачного экрана в виде

= 2Um ~H^\kx)Q{¡52la) = fx >dcondQ(f32kx) (5 n) будет близко к точному при любых, а не только весьма больших кх.

•е ¡d.cond

Здесь Jx - плотность тока идеально проводящего экрана при том же

виде источника. Иначе говоря, функция

Q{p2kx)

выполняет роль

множителя ослабления тока полупрозрачного экрана по сравнению с идеально проводящим. Из сказанного видно, что характер распределения тока по полупрозрачному экрану слабо зависит от фазы импеданса ZL, если этот импеданс не индуктивный.

Проверка справедливости соотношения (5.11), а также оценка влияния краевых волн конечного выполнена путем численного решения интегрального уравнения второго рода

)G{x-x')fx{x'}k, + U8{x-a) = ZL{x)fXx') (5Л2)

-L

Уравнение (5.12) содержит ту же функцию Грина G(s), что и (4.6) и решалось аналогично. Импеданс слоя Z¿(x) предполагался переменным как

функция расстояния до источника х. Для этого импеданса использовалась кусочно-линейная аппроксимация.

На рис.5.2 показаны графики распределения тока по экрану полуразмером 6.4 длины волны для трех значений модуля ^/^| = 10-';10-2;1(Г\ Фаза =-,т/2 Сплошными кривыми построены результаты расчета с помощью численного решения интегрального уравнения, отнесенные к току идеально проводящего экрана. Пунктиром

показаны значения <2 0№). Из графиков следует, что истинное распределение тока отличается от (5.11) лишь на осцилляции, связанные с краевыми волнами. Кривые для |2,/^0| = Ю"3 практически не отличаются при данном размере экрана от случая идеальной проводимости. Влияние краевых волн для больших значений импеданса выражено слабее в силу большего убывания тока к краям.

Рис 5.2

ДН нити магнитного тока на полупрозрачном экране бесконечных размеров имеет вид

н: =

1 Цт к

2 2яг Wn

1 + -

вш ср

|5Н + 21г

г'ъ у

Ль'

я я ■—<<£>< — 2 2

(5.13)

Здесь первое слагаемое в скобках соответствует полю излучения нити в свободном пространстве, а второе - полю, создаваемому токами экрана. Из анализа (5.13) следует, что бесконечный полупрозрачный экран с относительно высоким ^ »1 слабо экранирует нижнее полупространство; напротив, экран с низким сопротивлением ^/^„¡ = 10"3 приближается по свойствам к идеально проводящему с резким падением уровня ДН при переходе через плоскость экрана.

В пренебрежении краевыми волнами. ДОИ конечного экрана записывается в виде

ОЩф)-.

эт <

,2, зт®+2— К

2л А V*

2— К

этУ + г-^-11 К

(5.14)

В случае весьма большого экрана или (и) относительно высокого , когда

ЩШ» 1 (5.15)

выражение (5.14) переходит в ДОИ бесконечного экрана. Однако этот случай, как правило, мало интересен для практики, поскольку при малых \21размер Ь оказывается слишком велик, а при относительно больших /й^ экран слабо экранирует нижнее полупространство, как уже указано. При нарушении (5.15) проявляется интерференция прошедшего через экран поля с полем, дифрагирующим на краях.

На рис 5.3 приведены графики ДОИ для |2Л/^0| = 5-10"2 и =-л74 для трех полуразмеров Ь вблизи 4-х длин волн. Эти величины показаны в легенде графика. ДОИ для бесконечного экрана показана пунктиром. Из графиков следует, что характеристика конечного экрана имеет осциллирующий характер, повторяя кривую для бесконечного экрана по характеру убывания. Можно отметить, что при использованных размерах экрана ДОИ всюду не хуже порядка -20дБ, начиная с углов 25-30 градусов. Полупрозрачные экраны оказываются предпочтительнее идеально проводящих в силу наличия дифракционного провала ДОИ при малых <р.

Рис 5.3

В целом, исследования показали, что при фиксированном размере экрана существует оптимальное значение ^/№"„1 , при котором ДН ненаправленного источника приобретает столообразный характер, а ДОИ убывает с ростом <р наискорейшим образом. Для практических размеров экрана от единиц до десятков длин волн и с ростом размера

уменьшается.

Расчеты с помощью численного решения интегрально уравнения (5.12) показали, что учет краевых волн приводит к поправкам величин ДОИ, но характера дифракционных явлений не меняет. С точки зрения уменьшения общего уровня ДОИ наиболее предпочтительным оказывается экран с комплексным импедансом слоя с фазой порядка -л/4.

Дальнейшая оптимизация характеристик полупрозрачных экранов возможна на пути применения слоя с переменным профилем импеданса. Очевидно, целесообразны величины импеданса слоя, близкие к нулю в центральной области экрана для обеспечения работоспособности резонансной антенны. Предполагая, что размер экрана ограничен единицами (до десятка) длин волн, при расчетах использовался квадратичный профиль 2г(х) = 2шх(х/1)2. Здесь - значение импеданса слоя на краю экрана. Динамика изменения характеристик для экрана полуразмером Ь=3.2 длины волны с уменьшением отражена на рис 5.4а...в для распределения

тока, нормированного к току проводящего бесконечного экрана, ДН, нормированной к значению в касательном напргвлении и ДОИ, соответственно. Фаза импеданса слоя равна -л/4. Величины показаны в легенде графиков. Из графиков видно, что для оптимального ^/(Г,| порядка 10"1 ток захватывает всю область экрана, уменьшаясь до 10% от максимума на краях.

а)

б)

в)

Рис 5.4

ДН при этом приобретает равномерный столообразный характер, ДОИ достигает наилучших величин. При дальнейшем уменьшении |2пи/й'0| характеристики сводятся к идеально проводящему случаю.

Расчеты показали, что экран вдвое большей величины (полуразмером Ь = 6.4Л) обеспечивает ДОИ не хуже -ЗОдБ, начиная с угла 25 градусов, при оптимальном \2тт IV/порядка 10"2.

Шестая глава посвящена особенностям конструкции и характеристикам разработанных опытных и серийно выпускаемых антенн.

На рис. б. 1а,б представлены фотографии серийно выпускаемой антенны Торсоп РО-А5 Ь1 ОРБ/ГЛОНАСС для ГИС применений. Антенна пластинчатого типа, представляет собой единую плату, выполняемую в общем технологическом цикле с цепями широкополосного согласования и мшу. В антенне применено квадратурное щелевое возбуждение,

обеспечивающее пониженный, по сравнению со штыревым возбуждением, КУ в направлении на края экрана. В соответствие со сказанным в предыдущих главах, антенна имеет значительные преимущества ДОИ, экспериментальные кривые которой для Е- и Н- плоскостей одного из двух линейно-поляризованных каналов показаны на рис.6.2

Рис 6.1

Рис 6.2

Рис 6.3

На рис.б.За) показана фотография антенной подсборки, являющейся базовой для семейства серийно выпускаемых антенн Topcon PG-A1...A3 L1/L2 GPS/ГЛОНАСС. Подсборка построена по двухэтажному принципу на основе керамики. На фотографии видна печатная плата квадратурного возбуждения первого этажа. Фотография антенны PG-A1/GP показана на рис 6.36. Конфигурация экрана оптимизирована таким образом, чтобы обеспечить наименьшее уклонение фазовой ДН от нуля. График фазовой ДН, зарегистрированной международной коммерческой службой калибровок геодезических антенн GEO++, показан на рис. 6.4. Как видно, уклонение по абсолютной величине не превышает 0.5мм относительно длины волны GPS L1 вплоть до единиц градусов возвышения над экраном.

Р

Рис 6.4

Подсборка рис 6.3а использована также в серийно выпускаемых высокоточных интегрированных приемниках типа Торсоп Нрег (рис. 6.5а). Эти приемники обеспечивают ошибку КТК в 1см и используются для геотопографических работ при землеустройстве и строительстве. Для оптимизации конфигурации корпуса приемника использована модель в виде цилиндра прямоугольного поперечного сечения, возбуждаемого двумя нитями магнитного тока (рис 6.56). Поверхностная плотность тока цилиндра определялась путем численного решения интегрального уравнения второго рода для магнитного Поля

+ ~ = и.тс(Ь (6.1)

2 ¿71 • о п

Здесь функция Грина

ё(7,?) = ^Н?\к\Т-?\) (6-2)

На рис. 6.5в) показаны расчетные и экспериментально измеренные ДОИ. Максимальные расхождения не превышают 2дБ

Рис 6.5 а) в)

На рис 6.6а...в показаны антенны и интегрированные приемники, в которых применены литьевые подложки в виде системы штырей. Серийно выпускаемая антенна TOPCON MG-B5 (рис 6.6а) служит для ГИС применений. Эта антенна работает со спутниками GPS/TJIOHACC/OMNISTAR и системой передачи дифференциальной поправки диапазона ЗООКГц. Интегрированный навигационный приемник Topcon Trupath (рис 6.66) является составной частью контура автоматического управления трактора типа JohnDeer/TSD для сельскохозяйственных работ.

Вид этого приемника со снятой крышкой показан на рис б.бв. Здесь применен полноволновый антенный элемент, представленный в Главе 2.

I Таким образом, в данной главе показаны конструкторско-

технологические воплощения антенн позиционирования. Достигнутые характеристики и хорошее совпадение с расчетными данными свидетельствуют об адекватности развитых в работе подходов.

Приложение 1 работы содержит вывод выражений для тензоров Грина систем с дискретным спектром собственных волн, в Приложении 2 сосредоточены асимптотические оценки встречающихся в работе интегралов, Приложение 3 содержит материалы по прохождению плоской волны через

тонкий слой, Приложение 4 содержит акт о внедрении результатов работы в образцы техники высокоточного позиционирования Московского центра технологий корпорации Топкон, выпускаемые серийно, в Приложении 5 приведен акт об использовании результатов работы при постановке учебного курса по специальности «Радиофизика» в МАИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе развиты теоретические основы, принципы построения и метода анализа, изучены характеристики и созданы экспериментальные и серийные высокотехнологичные широкополосные малогабаритные антенны высокоточного позиционирования и антенные блоки высокоточных интегрированных навигационных приемников.

В частности:

1. Разработаны теоретические основы, принципы построения, методы анализа, изучены характеристики и созданы образцы низкопрофильных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков, выполняемых из металла методами литья или штампа и обеспечивающих работу в полном диапазоне частот ГНСС.

2. Развита теория и созданы образцы объемных многопласпинчатых конструкций, работающих на принципах сильной связи между элементами и обеспечивающих ширину полосы пропускания более 40% при габаритах порядка одной трети длины волны.

3. Построено замкнутое аппроксимационное решение задачи возбуждения конечного проводящего экрана с ошибкой аппароксимации, не превосходящей 10% для экранов размером в десятые доли длины волны и более. Получены инженерные аналитические оценки ДН и ДОИ антенн на плоских проводящих экранах.

4. Выполнены оценки характеристик подавления многолучевости плоскими импедансными экранами. Показано, что ДОИ, формируемая плоским импедансным экраном слабо зависит от величины импеданса экрана и от ДН широкоугольного источника и определяется, в основном, лишь размером экрана.

5. Выявлен характер распределения эквивалентного электрического тока полупрозрачного экрана из композитных материалов, возбуждаемого ненаправленным источником. Показано, что характеристики полупрозрачного экрана слабо зависят от фазы (характера) импеданса слоя, при условии, что этот импеданс не индуктивный. Показано, что для экрана заданных размеров. существует оптимальный импеданс слоя, обеспечивающий наилучшую ДОИ. Композитный полупрозрачный экран с квадратичным профилем импеданса слоя обеспечивает ДОИ лучше -20 дБ для углов, начиная с 20 градусов к плоскости экрана при размере экрана 6 длин волн

6. Разработаны серийно выпускаемые антенны высокоточного позиционирования. В частности, одночастотная СРБ/ГЛОНАСС антенна со

щелевым возбуждением, семейство двухчастотных антенн и антенных блоков интегрированных приемников GPS/ГЛОНАСС сантиметрового класса точности, семейство ГИС антенн и антенных блоков, семейство трехчастотных L1/L2/L5 антенн и антенных блоков GPS/ГЛОНАСС сантиметрового класса точности а также всесесистемный всечастотный GPS^OHACC/GALILEO/COMPASS/OMNISTAR/BEACON антенный блок интегрированного приемника системы автоматического управления сельскохозяйственными машинами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способы построения низкопрофильных пластинчатых антенн круговой поляризации с подложками из искусственных диэлектриков, выполняемых из металла методами литья или штампа, а также объемных широкополосных пластинчатых конструкций малого электрического размера.

2. Теория уменьшения ошибки многолучевости экранами различных типов антенн высокоточного позиционирования.

3. Инженерные методы расчета и проектирования антенн указанного класса.

СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи

1. Татарников Д.В. Экраны антенн высокоточной геодезии по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Часть 2. Полупрозрачные экраны из композитных материалов. Антенны, №6(133) М., Радиотехника, 2008, стр. 3-13

2. Татарников Д.В. Экраны антенн высокоточной геодезии по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Часть 1. Идеально проводящие и импедансные экраны. Антенны, Антенны, №4(131) М., Радиотехника, 2008, стр. 6-19

3. Татарников Д.В. Пластинчатые антенны с подложками из искусственных диэлектриков. Антенны, №1(128) М, Радиотехника, 2008, стр. 35-45

4. D.Tatamikov, V. Filippov, I Soutiaguine, A.Astakhov, A.Stepanenko, P. Shamatulsky Multipath Mitigation by Conventional Antennas with Ground Planes and Passive Vertical Structures - GPS Solutions, v.9, 2005, No3, pp.194-201

5. Татарников Д.В., Астахов A.B. Анализ слабонаправленных металло-диэлектрических излучающих структур на основе метода декомпозиции - Антенны, №2 (46), М., Радиотехника, 2000, стр. 47-54

6. Татарников Д.В., Соколов А.С. Математическое моделирование микрополосковых структур СВЧ на основе набора универсальных токовых элементов - М., Радиотехника, №7-8,1995, стр. 110-114

-7. Филиппов В.,С., Татарников Д.В., Соколов А.С. Широкополосные печатные излучатели ФАР круговой и линейной поляризации - М., Радиотехника, №3, 1995, стр.61-63

8. Филиппов B.C., Татарников Д.В. Характеристики пластинчатых излучателей с поперечно-неоднородной подложкой в регулярной ФАР -М., Радиотехника, 1991, №12, стр.64-66

Доклады на конференциях

1. Татарников Д.В., Астахов А.В. Высокоточные антенны Топкон в контуре автоматического управления строительными и сельскохозяйственными машинами - 13-я межд.н.-т. конференция Системный анализ, управление и навигация, 29 июня-6 июля 2008г., Евпатория, Крым, Украина, тез.докл., стр. 212

2. Татарников Д.В. Сверхмалогабаритные много системные антенны высокоточного позиционирования с подложками, изготавливаемыми литьем или с помощью штампа - 13-я межд.н.-т. конференция Системный анализ, управление и навигация, 29 июня-6 июля 2008г., Евпатория, Крым, Украина, тез.докл., стр. 197

3. D.Tatarnikov, A.Astakhov, A.Stepanenko, P.Shamatulsky, D.Rakitin, I.Soutiaguine Novel Full-Wave Compact Size GNSS Antennas Based on Artificial Dielectrics Technology - ION NTM 2008 San Diego, CA, USA, January 28-30

4. Татарников Д.В. Приближенные решения задач дифракции для оценки характеристик антенн ГНСС 11-я межд.н.-т. конференция Системный анализ, управление и навигация, 2-9 июля 2006г., Евпатория, Крым, Украина, тез.докл., стр. 139

5. Татарников Д.В. Опыт разработки антенн высокоточного позиционирования корпорации Топкон - 10-я межд.н.-т. конференция Системный анализ, управление и навигация, 1-8 июля 2005г., Евпатрия, Крым, Украина, тез.докл., стр. 126

6. D.Tatarnikov, I.Soutiaguine, V.Filippov, A.Astakhov, A.Stepanenko, P.Shamatulsky Small Size Light Weight User GNSS Antennas - ION NTM 2005 San Diego, CA, USA January 24-26

7. D.Tatarnikov, I.Soutiaguine, V.Filippov, A.Astakhov, A.Stepanenko, GPS/GLONASS Antennas and Ground Planes: Size and Weight Reduction

- Perspectives - IGS2004 Workshop and Symposium March 1-5, 2004, University of Berne, Berne, Switzerland

8. V.Filippov, D.Tatarnikov, I.Soutiaguine, A.Astakhov, J.Ashjaee The First Dual-Frequency Choke Ring - ION GPS-98, September 15-18, Long Beach, CA, USA, 1998, p.1035

9. Татарников Д.В. Антенны высокоточного позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем.

Объединенный Фельдовский семинар по электродинамике APS, LEOS and MTT/ED Chapters in Russia Section, ИРЭ PAH, №8,2008r.

Патенты и авторские свидетельства

1. D.Tatamikov, A.Astakhov, P.Shamatulsky, I.Soutiaguine, A.Stepanenko Patch antenna with comb substrate Патент EC №EP 1684381 Bl, 2008

2. I.Soutiaguine, D.Tatamikov, V.Filippov, A.Astakhov, A.Stepanenko, Antenna Structures for Reducing the Effects of Multipath Radio Signals -патент США No. 6836247 B2,2004

3. V.Filippov, D.Tatamikov, I.Soutiaguine, A.Astakhov, J.Ashjaee Dual-Frequency Choke-Ring Ground Planes - патент США No 6278407,2001

4. Филиппов В.,С., Татарников Д.В. Печатный излучатель фазированной антенной решетки - авт. свидетельство СССР No 1665422,1991

Множительный центр МАИ (ГТУ) Заказ от /£,0^ 2009 г. Тираж ¡00 экз.

Глава 1. Основные характеристики антенн высокоточного позиционирования по сигналам ГНСС и требования к ним.

Введение.

• i I

1.1 Сигналы глобальных навигационных спутниковых систем и основные принципы высокоточного позиционирования.

1.2 Уравнения дифференциального позиционирования по фазе несущей и уравнения ошибок.

1.3 Влияние фазовой характеристики направленности антенны и диаграммы обратного излучения (ДОИ) на точность позиционирования.

1.4 Основные требования к амплитудной ДН и КПД.

Выводы.

Глава 2. Пластинчатые антенны с подложками из искусственных диэлектриков с расширенной полосой частот

Введение.

2.1 Антенны с подложкой ребристого и встречно-штыревого типа.

2.1.1 Добротность пластинчатой антенны при наличии дисперсии в подложке.

2.1.2 Низкопрофильные импедансные структуры с высоким замедлением.

2.1.3 Замечание об антеннах круговой поляризации.

2.1.4 Замедление и дисперсия в периодических цепочечных структурах с параллельными емкостями.

2.1.5 Полный электродинамический анализ низкопрофильной штыревой замедляющей структуры

2.1.6 Конструктивное воплощение всеволнового всесистемного антенного элемента с литьевой подложкой.

2.2 Антенны с подложкой в виде емкостной рамки.

2.2.1 Добротность пластинчатой антенны с концевой емкостью.

2.2.2 Антенны круговой поляризации с рамкой в виде периодической системы емкостей.

Выводы.

Глава 3. Широкополосные пластинчатые конструкции объемного типа

Введение.

3.1 Двумерная модель.

3.2 Полусферические аксиально-симметричные структуры.

Выводы.

Глава 4. Плоские проводящие экраны

Введение.

4.1 Ненаправленный источник на проводящем экране.

4.1.1 Аппроксимация краевой волны тока экрана.

4.1.2 Переотражения краевых волн тока конечного экрана и сравнение с численным решением интегрального уравнения.

4.1.3 Характеристики поля излучения

4.1.4 Асимптотическая оценка ДОИ для высоких и низких углов при больших размерах экрана.

4.2 Слабонаправленный источник ' на проводящем экране.

4.3 Источник со столообразной ДН.

4.3.1 Общие замечания.

4.3.2 Синтез источника со столообразной ДН и оценка протяженности ближнего поля.

4.3.3 ДНи ДОИ.

Выводы.

Глава 5. Импедансные экраны и полупрозрачные экраны из. композитных материалов

Введение.

5.1 Импедансные экраны.

5.1.1 Эквивалентный поверхностный электрический и магнитный ток экрана.

5.1.2 ДНи ДОИ.

5.2 Полупрозрачные экраны из композитных материалов.

5.2.1 Приближенные граничные условия.

5.2.2 Эквивалентный электрический ток экрана в приближении физической оптики.

5.2.3 Численное исследование эквивалентного тока с помощью интегрального уравнения второго рода.

5.2.4 ДН и ДОИ конечного экрана в приближении физической оптики.

5.2.5. Влияние краевых волн и характеристики экранов с неравномерным профилем импеданса слоя.

Выводы

Глава 6. Конструктивные особенности разработанных опытных и серийно выпускаемых образцов антенн

Введение.

6.1 Пластинчатая антенна ГИС со щелевым возбуждением, технологически совмещенная с МШУ.

6.2 Многочастотные двухсистемные GPS/ГЛОНАСС антенны приемников сантиметрового класса точности.

6.3 Антенны с подложками из искусственных диэлектриков.

6.4 Малогабаритная вертикальная антенная система с резким перепадом амплитудной ДН при пересечении горизонта.

Выводы.

Актуальность работы.

Последняя? декада-: 20-го века отмечена началом широкомасштабного использования; сигналов системы навигационных спутников GPS (США), [1] для нужд промышленности? и потребительского? сектора экономики. Созданная; в СССР система спутников FJIOHACC [2]j преодолев финансовые затруднения: начала 90-х годов, активно восстанавливается. Планируется' полное развертывание этой- системы к 2010г. В 2005г. началось развертывание системы, спутников GALILEO [3], создаваемых Европейским: Сообществом. Планируется; к: выведению система навигационных спутников КНР COMPASS [4], развивается японское спутниковое дополнение QZSS [5 |. В дальнейшем* для всех: этих систем: спутников; употребляется общее наименование* ГНСС (Глобальные Навигационные Спутниковые Системы).- К числу ГНСС также часто относят спутники так называемых функциональных дополнений. Эти спутники транслируют поправку, необходимую для-повышения точности позиционирования. Пример спутников функционального дополнения - система OMN1STAR [148]. Можно сказать, что применение: сигналов ГНОС становится- неотъемлемым: элементом? жизнедеятельности: наряду с:теле- и радиовещанием и радиосвязью. Следует особо подчеркнуть, что сигналы ГНСС являются общедоступными практически на всей: поверхности Земли и, в основном,, бесплатными. Это стимулирует, бурный .рост числа практических приложений:

Спутники ГНСС излучают псевдо-шумовые: фазоманипулированные сигналы на ряде частот в диапазоне 1. .2 ГГц [9,37,38].

Аппаратуру потребителя сигналов ГНСС принято характеризовать обобщенным наименованиём "навигационный приемник". Основной задачей навигационного, приемника является определение координаты точки земной поверхности; в которой он: расположен, а также точного времени. По принципу действия навигационные приемники относятся к пассивным кодово-фазовым дальномерам [8,38]. За отмеченный период навигационные приемники потребителя сигналов ГНСС прошли определенный путь развития.

Простейшие одночастотные кодовые навигационные приемники, работающие в автономном режиме (так называемый режим standalone - от английского "отдельно стоящий"), в настоящее время обеспечивают определение координат потребителя с точностью порядка 30 метров (всюду в дальнейшем точностные характеристики указываются в смысле среднеквадратичной. ошибки (ско)). Эти приемники фактически становятся предметами бытового назначения. Габариты и стоимость бытовых приемников сопоставимы с габаритами и стоимостью бытовых аппаратов сотовой телефонии [6-7]. Этот класс аппаратуры в данной диссертационной работе не рассматривается.

Важным- этапом на пути уменьшения ошибки позиционирования явилось применение так называемого кодово-дифференциального режима DGPS [8-9]. В этом режиме на приемник потребителя передается поправка, компенсирующая групповую задержку на распространение сигнала через ионосферу. Поправка вырабатывается так называемой базовой станцией, расположенной в точке с известной координатой, либо системой (сетью) таких станций. Поправка передается на навигационный приемник либо по местному каналу радиосвязи (включая сотовую связь), либо транслируется через геостационарные спутники типа OMNISTAR. Наличие поправки позволяет снизить ошибку позиционирования до 30см. Режим DGPS является основным для широкого спектра применений в области ГеоИнформационных Систем (ГИС). ГИС предназначены для описания элементов земной поверхности с точностью не хуже 1м, включая рельеф, населенные пункты, путепроводы, ареалы распространения животного и растительного мира, сельхозугодия, статистические данные о территориях, и т.п. В качестве примера на рис В 1а) показано оснащение современного ГИС

- специалиста. Аппаратура состоит из антенны ГНСС, приемника (врюкзаке) и цифрового картографического индикатора.

Основным этапом существенного - скачкообразного - уменьшения ошибки позиционирования явилась разработка алгоритма RTK (от английского Real Time Kinematic - позиционирование движения в реальном времени). Этот алгоритм позволяет осуществить так называемое разрешение неоднозначности [8,9] — когда определяются не только задержки по коду, но и разность полных набегов фазы несущей, включая целое число длин волн, между потребителем и базовой станцией и каждым из спутников. Совместное использование в RTK обеих систем спутников GPS/TJIOHACC обсуждалось с конца 90-х годов- [10,11]. Для работы алгоритма RTK, как и в DGPS-режиме, требуется поправка, вырабатываемая базовой станцией или сетью станций. Алгоритм позволяет снизить ошибку позиционирования до 1см. Вариант работы» в режиме накопления данных позволяет достичь геодезической точности позиционирования по сигналам ГНСС в 1мм [9].

Разработка аппаратуры, способной поддерживать алгоритм RTK, резко расширила спектр применений сигналов ГНСС. Так, в режиме реального времени оказалось возможным осуществить весь спектр геотопографических работ - при землеустройстве, строительстве, профилировании дорог и магистралей, т.п. На рис. В16) показано оснащение современного ГНСС - геодезиста. Аппаратура содержит интегрированный приемник, совмещенный с ГНСС антенной и антенной радиолинии передачи поправок, и картографический индикатор. Дальнейшее развитие аппаратуры RTK в последние годы привело к созданию серийных образцов полуавтоматических и автоматических строительных и сельскохозяйственных машин (рис В2а),б)).

На рис В3а),б) показаны применения аппаратуры ГНСС в режиме постобработки (точность 1мм ). Измерения с погрешностью 1мм применяются для мониторинга технического состояния сложных инженерных сооружений типа дамб, мостов, больших зданий и т.п. и для устройства геодезических опорных пунктов - в том числе с научными целями изучения'дрейфа земной коры (предсказание землетрясений, смещение тектонических плит и т.п.)

Навигационные приемники, обеспечивающие точность в 30см и выше можно условно отнести к высокоточным. В настоящее время наблюдается лавинообразный рост числа публикаций о работах в области высокоточного позиционирования и о создаваемых образцах техники: Среди источников информации, призванных сориентировать потребителя, можно отметить международный отраслевой журнал рекламно-технического характера "GPS World" [12], сообщения научно-технического характера1 о прикладных системных работах публикует реферируемый журнал "GPS- Solutions" [13], основным ежегодным международным научно-техническим симпозиумом является конгресс Института Навигации ION GNSS [14]. К числу основных мировых производителей высокоточной аппаратуры, для гражданских применений относятся- компании Trimble (США)[130], Leika (Швейцария)[ 131], Торсоп (Япония)[129], Javad JNSS (США/РФ)[151]. Существенные элементы аппаратуры компаний Торсоп и Javad JNSS проектируется в центрах технологий в Российской Федерации в Москве.

Для обеспечения потребителя поправкой, необходимой для высокоточного позиционирования, развиваются сети базовых станций, покрывающих территории. Так, общегерманская сеть содержит более 150 станций [17]. Сеть, принадлежащая международному консорциуму университетов UNAVCO [18] содержит несколько тысяч станций, объявлено о создании национальной сети КНР, которая будет содержать 8000 станций. Необходимость развития работ по созданию координатно-временного поля Российской Федерации подчеркнута в Указе Президента Российской Федерации [15].

Высокоточные приемники осуществляют слежение за кодами и фазами несущих всех спутников, расположенных выше местного горизонта. Для обеспечения точности позиционирования ключевое значение [9] имеют спутники, наблюдаемые под низкими углами к горизонту. Однако сигнал этих спутников оказывается в значительной степени- ослабленным в< силу направленных свойств антенн наблюдателя и спутника и увеличенной дальности против зенитных спутников. При недостаточном уровне сигнала наблюдается [16] явление срыва фазового детектора, когда отсчет фазы несущей скачком изменяется» на произвольное целое число 2л. Срыв детектора приводит к необходимости- повторного разрешения-неоднозначности алгоритмом RTK, что резко уменьшает эффективность системы позиционирования.

Важная особенность современного состояния отрасли высокоточного-позиционирования состоит в том, что основным источником ошибок высокоточного позиционирования^является [9, 100] явление многолучевости, когда на вход приемника, наряду с прямым сигналом, спутника, попадает также сигнал, отраженный подстилающим рельефом и местными предметами. Также существенным оказывается* вклад ошибок и, нестабильности фазовой и групповой характеристики направленности антенны. Ключевая роль антенных характеристик для достижения предельно малых ошибок позиционирования многократно подчеркивалась в литературе [100-104].

Наряду с этим, антенны, как и остальная часть аппаратуры, находятся под серьезным давлением1 обстоятельств рыночного характера. Разнообразие условий их применения-диктует жесткие требования на подходы и способы конструктивной реализации. Между тем, массо-габаритные характеристики и, можно отметить - стоимость антенны высокоточного позиционирования сопоставимы со всей остальной частью аппаратуры, а зачастую и превосходят собственно навигационный приемник. Быстрый прогресс микроэлектроники, с одной стороны, и естественное ограничение в виде фиксированной, длины волны сигналов ГНСС делают указанное противоречие особенно заметным.

В целом, обеспечение надежности работы и минимизации ошибок системы позиционирования, приводит к необходимости реализации максимально широкой ДН приемной антенны с возможно резким уменьшением усиления в направлениях ниже горизонта. Это требование, совместно с обеспечением заданной полосы пропускания при жестких ограничениях на массо-габаритные показатели, является противоречивым.

Приемные антенны высокоточного позиционирования начали развиваться одновременно с началом широкого освоения сигналов ГНСС. Основной антенной базовых станций является антенный элемент Dorne@Margolin, устанавливаемый на импедансный кольцевидный экран, сконструированный в лаборатории JPL (Jet Propulsion Laboratory) NASA США. Сведения об этой антенне содержатся в источниках [19,20], посвященных геодезическим калибровкам высокоточных антенн. Фотография этой антенны показана на рис В4.

В качестве антенн подвижных объектов на начальных этапах, в основном, использовались компактные и высокотехнологичные антенны печатного (микрополоскового) типа. Эти антенны выгодно, отличаются конструктивной простотой и малыми габаритами, что и обусловило интерес к ним с точки зрения приложений для высокоточного позиционирования.

Микрополосковые антенны находились в фокусе внимания специалистов начиная с 70-х годов прошлого столетия. Обзор имеющихся результатов содержится в ряде основополагающих отечественных и зарубежных публикаций и монографий [43-46]. Работы в этом направлении продолжают выходить [47-54, 78, 105], в том числе и применительно к задачам позиционирования [55,61].

Одной из первых реализаций антенн для подвижных объектов являлась антенна Ashtech Geodetic [19, 21] компании Ashtech. Эта антенна была предназначена для приема сигналов только GPS, она имела антенный элемент печатного типа, плоский экран диаметром 40см и компас. Необходимость применения компаса была вызвана тем, что фазовый центр этой антенны оказался смещенным с вертикальной оси симметрии, в силу чего требовалась принудительная ориентация антенны для повышения точности позиционирования. В конце 90-х годов прошлого века коллективом разработчиков компании JPS под руководством профессора кафедры 406 МАИ Филиппова B.C. была разработана двухчастотная двухсистемная GPS/ГЛОНАСС печатная антенная плата, служившая основой серийно выпускаемых антенн подвижных объектов типа Legant [58] и антенн базовых станций типа Regant [59] и CR3 [60]. Фотография этой антенной платы показана на рис. В5а),б). Автор данной диссертационной работы участвовал в указанных разработках в качестве ведущего специалиста. Интересно отметить, что сообщение в зарубежных источниках [61] об антенной плате типа Legant появилось в печати спустя декаду после выхода антенны Legant в производство. Можно отметить реализацию двухчастотных L1/L2 печатных антенн на принципах двухэтажной сборки компаний Trimble [56] и Aeroantenna [57].

Однако, как многократно отмечалось [45,46], при расширении рабочей полосы частот толщину диэлектрической подложки печатной антенны необходимо увеличивать. Проводимая модернизация систем GPS и ГЛОНАСС, а также объявленное развертывание систем GALILEO и COMPASS приводит к резкому расширению полосы частот. Общая протяженность спектра ГНСС сигналов превысит 30%. Технологические возможности по изготовлению и применению печатных антенн оказываются практически исчерпанными вследствие значительной толщины диэлектрической подложки и ее веса.

Ранее, в том числе автором данной работы, исследовалась возможность использования диэлектрических подложек в виде системы опор [62-64,133], имеются также сообщения о формировании слоистых подложек с воздушными пустотами [65]. Однако, вследствие эффекта [46,62] обужения амплитудной ДН микрополосковой антенны при уменьшении эффективной диэлектрической проницаемости подложки, подложки с низкой эффективной проницаемостью для целей позиционирования оказываются малопригодными; проблема использования объемных подложек из диэлектрических материалов* для- широкоугольных пластинчатых антенн дециметрового диапазона волн, в целом, сохраняется. В последние годы появились сообщения о применении так называемых частотно-селективных поверхностей для формирования подложек пластинчатых антенн [66,67]. Здесь необходимая величина эффективной диэлектрической проницаемости достигается за счет периодической системы металлических элементов, выполняемых на тонких подложках печатным способом. Эти подложки затем размещаются вертикально между пластинкой антенны и экраном.

Однако следует отметить, что низкопрофильные полностью металлические структуры, способные формировать значительное эквивалентное замедление фазовой скорости, известны е 60-х годов" [68]. Эти структуры ранее изучались применительно к электронным приборам СВЧ. Подложки пластинчатых антенн на основе указанных структур могут быть-охарактеризованы как "искусственные диэлектрики". Возможности* применения искусственных диэлектриков, выполненных из металлов, в. качестве технологически эффективных подложек пластинчатых антенн и основы теории антенн с такими подложками ранее' систематически не рассматривались.

Дополнительный интерес представляют многопластинчатые конструкции, позволяющие обеспечить широкую полосу рабочих частот при весьма малом общем габарите. Практическая целесообразность таких антенн обусловлена стремлением в ряде высокоточных приложений применить антенный элемент, имеющий один общий выход на всю полосу частот сигналов ГНСС. Как указано выше, эта полоса составляет более 30%. Известен целый ряд конструкций пластинчатых антенн объемного типа [47,69-74]. Однако физические явления, лежащие в основе эффекта широкополосности многопластинчатых антенн, и потенциальные возможности* достижения широкополосности при существенных ограничениях на габарит остаются невыясненными.

Основным элементом, определяющим способности антенны к подавлению отражений от подстилающего рельефа, является экран. Известно [75], что конфигурация экрана, на который устанавливается антенный элемент, является решающим фактором, определяющим характеристики антенны в нижней, относительно экрана, полусфере. Кроме того, экран оказывает существенное влияние на коэффициент усиления в верхней • полусфере, в особенности вблизи скользящих направлений. Применительно к задачам высокоточного позиционирования изучение экранов представляет интерес как для оптимизации характеристик антенн малого габарита в резонансной частотной области, так и для оценки потенциальных возможностей по реализации значительного перепада усиления при пересечении горизонта в больших, по сравнению с длиной волны, системах. Анализ характеристик антенн на проводящих экранах является классическим для антенной теории. Можно указать на точные методы собственных функций [75, 76], интегральных уравнений [77], а также на асимптотические методы геометрической теории дифракции [79, 80] и краевых волн [81, 82]. Перечисленные источники [75-82] содержат обширную библиографию вопроса. Можно отметить еще методы эквивалентных краевых токов, развитые в конце прошедшего столетия [83-85], численные подходы на основе FDTD алгоритма [86], а также публикации о характеристиках микрополосковых антенн на плоских экранах конечных размеров [49,87-90].

Однако, применительно к задачам высокоточного позиционирования, основное значение имеет [9,100-104] диаграмма обратного излучения (ДОИ), известная также из англоязычной литературы как front-to-back ratio (down-up ratio), а также свойства ДН в верхней полусфере вплоть до углов, близких к касательным. Этим характеристикам уделяется значительно меньшее внимание. Кроме того, направления, близкие к касательным к экрану, наиболее сложно поддаются анализу асимптотическими методами [79,82]. Между тем, приближенные соотношения, позволяющие выполнить оценку характеристик до проведения трудоемкого численного анализа или натурного макетирования, оказываются весьма существенными в инженерной практике.

Помимо плоских проводящих, представляют интерес импедансные экраны, а также экраны в виде тонких полупрозрачных слоев из композитных материалов.

Применительно к импедансным экранам, основные принципы построения экрана антенны базовой станции в виде кольцевых дроссельных канавок изложены в [91]. Однако в последнее десятилетие появились сообщения о создании низкопрофильных печатных периодических структур, формирующих высокий эквивалентный поверхностный импеданс. Эти структуры получили название грибовидных или грибковых (от англ. mushrooms) [92-94,108]. Сообщения о некоторых характеристиках антенн с такими структурами содержатся в [95-99, 106, 107]. Эти структуры, представляют очевидный интерес применительно к задачам высокоточного позиционирования, так как они компактны, обладают малой глубиной (толщиной) и позволяют, в принципе, формировать импедансные поверхности весьма больших электрических размеров.

Плоские композитные листы из материалов толщиной много меньше длины волны ранее рассматривались на примере сетчатых структур [126]. В последние годы утвердилось более общее наименование "композитные материалы" в связи с применением комбинаций металлических, слабо и сильно проводящих, и диэлектрических элементов. Электродинамические характеристики таких материалов обсуждаются в [108, 112-126, 138,141,149,150,152]. Применительно к задачам позиционирования так называемые R-карты описаны в [109-111]. Эти R-карты представляют собой тонкие проводящие листы толщиной менее глубины проникновения. Общим для всех этих систем является возможность применения усредненных граничных условий [108, 124-126] для анализа характеристик.

Термин "полупрозрачный" в названии экранов из композитных материалов обусловлен тем, что в приближении бесконечной структуры всегда имеется некоторый отличный от нуля коэффициент передачи. Это открывает дополнительные возможности для оптимизации характеристик направленности антенн позиционирования путем управления интерференцией прошедшего и дифракционного полей в теневой области.

Потенциальные возможности перечисленных видов экранов по формированию высоких характеристик ДОИ представляют очевидный интерес с точки зрения построения антенн позиционирования.

Цель и задачи работы.

Сказанное выше позволяет сформулировать основную цель исследования в виде разработки теории, методов анализа, оценки характеристик и создания образцов широкополосных малогабаритных высокотехнологичных антенных элементов и экранов различных конфигураций для минимизации ошибки позиционирования по сигналам ГНСС.

В соответствие с указанной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи,

1.Разработка теории, методов анализа и конструктивных образцов низкопрофильных широкополосных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков, заменяющих традиционные печатные конструкции.

2.Разработка принципов построения и создание конструктивных образцов широкополосных объемных антенн круговой поляризации общим габаритом в десятые доли длины волны.

3.Построение инженерных оценок и анализ характеристик и потенциальных возможностей плоских проводящих и импедансных экранов, а также экранов из композитных материалов, в том числе для экранов в резонансном частотном диапазоне.

4.Создание образцов антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных навигационных приемников.

Методы исследования.

При проведении исследований используются аналитические методы теории дифракции, антенн и устройств СВЧ и численные методы на основе интегральных уравнений. Экспериментальные измерения выполнены в безэховых камерах с помощью стандартного лабораторного оборудования.

Достоверность и обоснованность результатов работы определяется корректными математическими методами и, физическими моделями, хорошим совпадением результатов расчетов с натурным макетированием, а также достигнутыми характеристиками опытных и серийно выпускаемых образцов антенн.

Личный вклад автора.

Все основные результаты и положения работы принадлежат автору, что подтверждено личными публикациями. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит постановка задач и определение направлений исследования, а также непосредственное участие в расчетах, экспериментах и анализе данных. Роль автора как руководителя проектирования серийно выпускаемых антенн высокоточного позиционирования отражена в акте о внедрении и отзыве, выданным Московским центром технологий корпорации Топкон (Япония). Автор признателен руководству корпорации за возможность публикации образцов антенн и их характеристик.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 152 наименований и 5-ти приложений. Работа без приложений изложена на 235-ти страницах машинописного текста, включая 142 рисунка и 4 таблицы.

Первая глава посвящена анализу данных общесистемного характера и выработке требований к характеристикам антенн. Здесь анализируется спектр имеющихся и вводимых сигналов ГНСС, выявляется влияние фазовой характеристики направленности и ДОИ на ошибки позиционирования, обосновываются требования к амплитудной ДН и КПД антенн.

Вторя глава посвящена разработке теории, путей построения, методам анализа и результатам исследования и конструктивного воплощения антенн пластинчатого типа с подложками из искусственных диэлектриков. Здесь получены оценки степени отрицательного влияния нормальной дисперсии в подложке на ширину полосы пропускания пластинчатой антенны круговой поляризации и выявлены условия ее отсутствия, методом численного решения интегрального уравнения для периодической структуры получены параметры конструкции подложек, обладающих требуемыми свойствами и пригодных для изготовления путем высокоточного литья, выявлен эффект расширения полосы частот при использовании подложки периодических элементов в виде рамки, охватывающей периметр пластинки, показана возможность изготовления такой подложки с помощью штампа, показаны образцы конструктивной реализации антенн и приведены их характеристики.

Третья глава посвящена широкополосным объемным конструкциям пластинчатого типа малого габарита. Здесь выявляется влияние емкостных связей пластинок между собой и экраном антенны, показывается, что при наличие таких связей существует оптимальная высота размещения пластинок над экраном, при которой полоса пропускания структуры существенно расширяется. Этот вывод распространяется на сферические азимутальносимметричные конструкции лепесткового типа. Приводятся характеристики опытного образца антенны с полосой пропускания свыше 40%.

Четвертая глава работы посвящена анализу наиболее употребительных плоских проводящих экранов приемных антенн потребителя сигналов ГНСС. Здесь получено замкнутое аппроксимационное выражение для токов конечного проводящего экрана и методом численного решения интегрального уравнения оценена его точность. Выполнено исследование ДН и ДОИ для экранов, возбуждаемых ненаправленным и слабонаправленным источником, а также источником, формирующим столообразную ДН с подавленным уровнем ДН в касательном к экрану направлении; получены оценки ДОИ как для области углов, близких к касательным, так и вдали от указанных направлений.

В пятой главе работы рассматриваются перспективные экраны импедансного типа и полупрозрачные экраны из композитных материалов. Здесь изучены распределения, эквивалентных электрических и магнитных токов экранов и исследовано влияние характеристик импедансных и полупрозрачных поверхностей на ДН и ДОИ. Особое внимание уделяется функции распределения эквивалентного поверхностного тока полупрозрачного экрана, правильно описывающей распределение тока не только на больших расстояниях от источника, но и в непосредственной близости от него. Аналитические данные подтверждаются численным исследованием с помощью интегрального уравнения второго рода. Получены оценки ДОИ для экранов с равномерным и неравномерным профилем импеданса слоя.

Шестая глава работы посвящена конструктивным особенностям разработанных серийно выпускаемых и опытных образцов антенн . Основное внимание уделяется электродинамическим принципам, положенным в основу проектирования. Рассматриваются печатные антенны со щелевым возбуждением, выполняемые в едином технологическом цикле с малошумящим усилителем, семейство антенн и антенных блоков интегрированных приемников, работающих в классе точности 1см, в том числе и с подложками из искусственных диэлектриков, а также вертикальная цилиндрическая антенная решетка малого, по сравнению с длиной волны, диаметра, обеспечивающая быстрый перепад усиления при пересечении горизонта.

В Приложениях сосредоточены аналитические выкладки, вынесенные за пределы основного текста, и сведения о внедрении. Приложение 1 посвящено тензорам Грина систем с дискретным спектром собственных функций, в Приложении 2 содержатся результаты оценок интегралов методом перевала, встречающиеся в работе, в Приложении 3 приведены сведения по выводу коэффициентов отражения и прохождения плоской волны через тонкий слой диэлектрика с потерями. В Приложении 4 приведен отзыв корпорации Топкон и акт об использовании результатов данной работы при проектировании серийно выпускаемых образцов техники. В Приложении 5 приведен акт о внедрении результатов в учебный процесс МАИ.

Выводы

1. Методы и подходы, развитые в работе, использованы при разработке образцов антенн высокоточного позиционирования, выпускаемых серийно, в том числе :

1.1 Антенна Topcon PGA5 (LI GPS/GLONASS) со щелевым возбуждением. Антенна выполняется в едином технологическом цикле с мшу. Характеристики направленности антенны подтверждают выводы Главы 4.

1.2 Антенны Topcon PGA1.PGA3 (L1,L2 GPS/GLONASS), CR-G3, и антенные блоки интегрированных приемников семейства Hiper и GR3 (L1/L2/L5 GPS/GLONASS). Характеристики антенн подтверждают выводы Глав 2, 4 и 5. При анализе влияния корпуса интегрированного прибора применен численный подход но основе интегрального уравнения. Получено хорошее соответствие с расчетными данными.

1.3 Антенны и антенные блоки интегрированных приемников Topcon GMS-2 (LI GPS/Omnistar), MGB6 (LI GPS/GLONAS S/OMNISTAR/Beacon) для ГИС применений, всечастотного GPS/GLONASS/GALILEO/Omnistar/BEACON приемника Topcon Trupath для систем автоматического управления сельскохозяйственными машинами. В антеннах применены подложки на основе искусственного диэлектрика. Подтверждены выводы Главы 2. 2. Разработаны принципы построения и создан опытный образец малогабаритной вертикальной антенной решетки цилиндрического типа, обеспечивающей подавление отражений от подстилающей поверхности -20 дБ при углах места, начиная с 10 градусов к горизонту

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе развиты теоретические основы, принципы построения и метода анализа, изучены характеристики и созданы экспериментальные и серийные высокотехнологичные широкополосные малогабаритные антенны высокоточного позиционирования и антенные блоки высокоточных интегрированных навигационных приемников.

В частности:

1. Разработаны теоретические основы, принципы построения, методы анализа, изучены характеристики и созданы образцы низкопрофильных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков, выполняемых из металла методами литья или штампа и обеспечивающих работу в полном диапазоне частот ГНСС.

2. Развита теория и созданы образцы объемных многопластинчатых конструкций, работающих на принципах сильной связи между элементами и обеспечивающих ширину полосы пропускания более 40% при габаритах порядка одной трети длины волны.

3. Построено замкнутое аппроксимационное решение задачи возбуждения конечного проводящего экрана с ошибкой аппроксимации, не превосходящей 10% для экранов размером в десятые доли длины волны и более. Получены инженерные аналитические оценки ДН и ДОИ антенн на плоских проводящих экранах.

4. Выполнены оценки характеристик подавления многолучевости плоскими импедансными экранами. Показано, что ДОИ, формируемая плоским импедансным экраном слабо зависит от величины импеданса экрана и от ДН широкоугольного источника и определяется, в основном, лишь размером экрана.

5. Выявлен характер распределения эквивалентного электрического тока полупрозрачного экрана из композитных материалов, возбуждаемого ненаправленным источником. Показано, что характеристики полупрозрачного экрана слабо зависят от фазы (характера) импеданса слоя, при условии, что этот импеданс не индуктивный. Показано^ что для экрана заданных размеров существует оптимальный импеданс слоя; обеспечивающий наилучшую ДОИ. Композитный полупрозрачный экран с квадратичным профилем импеданса слоя обеспечивает ДОИ лучше -20 дБ для углов, начиная с 20 градусов к плоскости экрана при размере экрана 6 длин волн

6. Разработаны серийно выпускаемые антенны высокоточного позиционирования. В частности, одночастотная GPS/TJIOHACC антенна со щелевым возбуждением, семейство двухчастотных антенн и антенных блоков интегрированных приемников GPS/TJIOHACC сантиметрового класса точности, семейство ГИС антенн и антенных блоков, семейство трехчастотных L1/L2/L5 антенн и антенных блоков GPS/ГЛОНАСС сантиметрового класса точности а также всесесистемный всечастотный GPS/TJIOKLACC/GALILEO/СОМРAS S/OMNISTAR/BEACON антенный блок интегрированного приемника системы автоматического- управления сельскохозяйственными машинами.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны основы теории низкопрофильных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков в виде периодической системы металлических элементов с малым, по сравнению с длиной волны, шагом. Выявлены условия отсутствия значительной дисперсии в технологически реализуемых подложках. Выявлен эффект расширения полосы частот при использовании подложки в виде периодической замедляющей системы, расположенной по периметру пластинки. Разработаны образцы антенны, работающих в полном диапазоне частот ГНСС с металлическими подложками, выполняемыми методами литья или штампа.

Выявлен и обоснован эффект значительного расширения полосы частот в пластинчатых конструкциях при наличие емкостных связей пластинок между собой и экраном. Получены оценки оптимальной высоты пластинки для двумерного приближения и оптимального радиуса сферической несущей в объемной конструкции. Созданы образцы конструкций с полосой пропускания свыше 40% при габаритах порядка одной трети длины волны относительно нижней частоты диапазона.

Построено замкнутое аппроксимационное выражение для тока, возбуждаемого ненаправленным источником на плоском проводящем экране. Изучены границы применимости этого выражения. Получены инженерные оценки характеристик направленности и ДОИ, формируемых плоским проводящим экраном, возбуждаемым ненаправленным источником, источником со слабой направленностью, а также источником со столообразной ДН.

Асимптотически оценены характеристики направленности и ДОИ антенн на плоских экранах импедансного типа. Выявлено влияние импеданса, формируемого конструкцией экрана.

Построена функция распределения эквивалентного электрического тока полупрозрачного композитного экрана при любых расстояниях от источника. Показано, что характеристики полупрозрачного экрана слабо зависят от фазы (характера) эквивалентного импеданса, при условии, что этот импеданс не индуктивный. Показано, что для экрана заданных размеров существует оптимальный импеданс слоя, обеспечивающий наилучшую ДОИ. Получены оценки ДН и ДОИ для практически реализуемых конструкций.

Разработаны опытные и серийно выпускаемые антенны высокоточного позиционирования.

Практическая значимость работы.

На основе методов и подходов, развитых в работе, созданы конструкции антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных приемников, выпускаемые серийно, в том числе: антенна Topcon PGA5 (LI GPS/TJIOHACC) со щелевым возбуждением; антенны Topcon PGA1.PGA3 (L1,L2 GPS/TJIOHACC) и антенны интегрированных приемников семейства Hiper; антенный блок приемника Topcon GMS-2 (LI GPS/OMNISTAR) для ГИС применений; антенна Topcon MGB6 (L1 GPS/TJIOHACC/OMNISTAR/BEACON) для ГИС применений; антенны Topcon CR-G3, PG-A1 и антенный блок приемника GR3 (L1/L2/L5 GPS/TJIOHACC); антенный блок интегрированного всечастотного GPS/TJIOHACC/GALILEO/СОМР AS S/OMNIS TAR/BEACON приемника Topcon Trupath системы автоматического управления сельскохозяйственными машинами

Использование результатов в учебном процессе. Материалы глав 2,3,4 использованы при подготовке курса "Компьютерное моделирование радиофизических задач" специальности "Радиофизика" Московского Авиационного Института (государственного технического университета) МАИ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались на международных научных конференциях: 10-ой, 11-ой и 13-ой международных научно-технических конференциях "Системный анализ, управление и навигация", Евпатория, Крым, Украина, 2005,2006,2008 гг., Сессиях Института Навигации ION NTM San Diego, СА, USA 2005,2008, Конгрессе Института Навигации ION GPS-98, Long Beach, СА, USA, 1998 и Симпозиуме Международного Геодезического Общества IGS2004 Workshop and Symposium, 2004, University of Berne, Berne, Switzerland, а также на Объединенном Фельдовском семинаре по электродинамике APS, LEOS and MTT/ED Chapters in Russia Section, ИРЭ PAH, №8, 2008r.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы [22-33, 62,64,133,142-145,147,34-36], в том числе 7 статей в журналах, включенных в перечень ВАК, 1 статья в международном научно-техническом отраслевом реферируемом журнале, 8 докладов на международных научно-технических конференциях, 3 международных патента и 1 авторское свидетельство СССР. Автор имеет 6 единоличных публикаций.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способы построения низкопрофильных пластинчатых антенн круговой поляризации с подложками из искусственных диэлектриков, выполняемых из металла методами литья или штампа, а также объемных широкополосных пластинчатых конструкций малого электрического размера.

2. Теория уменьшения ошибки многолучевости экранами различных типов антенн высокоточного позиционирования.

3. Инженерные методы расчета и проектирования антенн указанного класса.

1. Guide to GPS Positioning David Wells, Ed. Canadian GPS Associates, Fredericton, N.B., Canada, 1986,1987

2. Leick A. GPS Satellite Surveying. Second ed. John Wiley & Sons, Inc, New York, 1995

3. M.Zhodzishsky, M.Vorobiev, A.Khvalkov, L.Rapoport, J.Ashjaee Dual-Frequency GPS/GLONASS RTK: Experimental Results Proceedings of The 12th International Technical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation ION GPS-99, p.p. 805 811

4. GPS Solutions Springer Berlin/Heudelberg ISSN 1080-5370 (Print) 1521-1886 (Online)14.http://www.ion.org/

5. Указ Президента РФ от 18 мая 2007г. "Об использовании глобальной навигационной системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации"

6. D.Tatarnikov, A.Astakhov, P.Shamatulsky, I.Soutiaguine, A.Stepanenko Patch antenna with comb substrate Патент EC №EP 1684381 B1

7. Татарников Д.В. Приближенные решения задач дифракции при разработке ГНСС антенн потребителя 11-я межд.н.-т. конференция Системный анализ, управление и навигация, 2-9 июля 2006г., Евпатория, Крым, Украина, тез.докл., стр. 139

8. Татарников Д.В. Опыт разработки антенн высокоточного позиционирования корпорации Топкон 10-я межд.н.-т. конференция Системный анализ, управление и навигация, 1-8 июля 2005г., Евпатрия, Крым, Украина, тез.докл., стр. 126

9. Татарников Д.В. Пластинчатые антенны с подложками из искусственных диэлектриков. Антенны, №1(128) М., Радиотехника, 2008, стр. 35-45

10. Татарников Д.В., Сутягин И.В., Филиппов B.C., Астахов А.В., Степаненко А.П., Шаматульский П.П. Multipath Mitigation by Conventional Antennas with Ground Planes and Passive Vertical Structures GPS Solutions, v.9, 2005, No3, pp. 194-201

11. Татарников Д.В., Астахов A.B. Анализ слабонаправленных металло-диэлектрических излучающих структур на основе метода декомпозиции Антенны, №2 (46), М., Радиотехника, 2000, стр. 4754

12. Татарников Д.В., Соколов А.С. Математическое моделирование микрополосковых структур СВЧ на основе набора универсальных токовых элементов М., Радиотехника, №7-8, 1995, стр. 110-114

13. Татарников Д.В., Сутягин И.В., Филиппов B.C., Астахов А.В., Степаненко А.П., Шаматульский П.П. Small Size Light Weight User GNSS Antennas ION NTM 2005 San Diego, CA, USA January 24-26

14. Татарников Д.В., Сутягин И.В., Филиппов B.C., Астахов A.B., Степаненко А.П. GPS/GLONASS Antennas and Ground Planes: Size and Weight Reduction Perspectives IGS2004 Workshop and Symposium March 1-5, 2004, University of Berne, Berne, Switzerland

15. Филиппов B.C., Татарников Д.В., Сутягин И.В., Астахов- A.B., Ashjaee J The First Dual-Frequency Choke Ring ION GPS-98, September 15-18, Long Beach, CA, USA, 1998, p. 1035

16. Сутягин И.В., Татарников Д.В., Астахов A.B., Филиппов B.C., Степаненко А.П. Antenna Structures for Reducing the Effects of Multipath Radio Signals патент США No. 6836247 B2, 2004

17. Татарников Д.В., Астахов А.В. Численный алгоритм моделирования микрополосковых излучающих структур — тех. отчет 406-93-04, М., МАИ, 1994

18. Татарников Д.В., Астахов А.В. Математическое моделирование микрополосковых излучающих структур произвольной геометрии — тех. отчет 406-93-04, М., МАИ 1993

19. Understanding GPS. Principles and Applications — E.D.Kaplan/Ed., Artech House, 1996

20. Болдин В.А., Зубинский В.И., Зурабов Ю.Г. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная, система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1998.

21. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. — М., Наука, 1978

22. Радиоприемные устройства — под.ред. проф. А.П.Жуковского, М., Высшая Школа, 1989.

23. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны М., "Энергия", 1975 г.

24. Справочник по антенной технике, т.1/ Л.Д.Бахрах, Л.С.Бенинсон, Е.Г.Зелкин и др., Под. ред. Я.Н.Фельда, Е.Г.Зелкина, М.: ИПРЖР, 1997

25. Д.И.Воскресенский, В.С.Филиппов Печатные излучатели — в в кн. Антенны/под. ред. Д.И.Воскресенского, вып.32, М., Радио и связь, 1985, стр.4-17

26. В.С.Филиппов Математическая модель и результаты исследования хфактеристик печатных излучателей в плоских ФАР в кн. Антенны/под. ред. Д.И.Воскресенского, вып.32, М., Радио и связь, 1985, стр.17-63

27. Б.А.Панченко, Е.И.Нефедов Микрополосковые антенны М., Радио и связь, 1986

28. Microstrip Antennas/Ed. D.M.Pozar, D.H.Schaubert IEEE Press, New York, 1995.

29. K.-L. Lau, P.Li,K.-M.Luk A Monopolar Patch Antenna With Very Wide Impedance Bandwidth IEEE Trans, AP, vol.53, No2, Feb.2005, pp.655661

30. Y.J. Sung, Y.-S.Kim An Improved Design of Microstrip Patch Antennas Using Photonic Bandgap Structure IEEE Trans, AP, vol.53, No5, May2005 pp. 1799-1804

31. A. Hoofar, A. Perrotta An Experimental Study of Microstrip Antennas on Very High Permittivity Ceramic Substrates and Very Small Ground Planes IEEE Trans. AP, v.49 No4, 2001

32. N. Herscovici A Wide-Band Single-Layer Patch Antenna IEEE Trans. AP, v.46, No4, 1998

33. Kiang J.-F. Radiation Characteristics of Rectangular Patch Antennas with a Laminated Ground Plane IEE Proc. Microwaves, Antennas and Prop. Vol 143, No.2, pp. 107-112, 1996

34. G.P.Gauthier, A. Courtay, G.M. Rebeiz Microstrip Antennas on Synthesized Low Dielectric-Constant Substrates IEEE Trans. AP, vol-45, 1997

35. V. Radisic, Y. Quian, R. Coccioli, D.Sievenpiper, E. yablonovitsh, T. Itoh Microstrip Patch Antenna Using Novel Photonic. Band-gap Structures,IEEE AP-S Int: Symp., Atlanta, GA, June 21-26, 1998

36. P.K. Kelly, M. Piket-May, I Rumsey, A.Bhobe Microstrip Patch Antenna Performance on a Photonic Bandgap Substrate Proc. 1998 USN/URSI' Nat. Radio Sci. Meeting Digest, Atlanta, GA, 1998

37. L.I.Basilio, R.L.Chen, J.T.Williams, D.R.Jackson» A New Planar-Dual-Band GPS Antenna Designed for Reduced Susceptibility to Low-Angle Multipath IEEE Trans. AP, vol. 55, N08, 2007

38. Филиппов B.C., Татарников Д.В. Характеристики пластинчатых излучателей с поперечно-неоднородной подложкой в регулярной ФАР М., Радиотехника, 1991, №12, стр.64-66

39. Татарников Д.В., Соколов А.С. Экспериментальное исследование характеристик пластинчатого излучателя с поперечно-неоднородной подложкой в сб. Волноводные и микрополосковые антенны и устройства - М., МАИ, 1989, стр.11-13

40. Филиппов B.C., Татарников Д.В. Печатный излучатель фазированной антенной решетки — авт. свидетельство СССР No 1665422, 1991

41. Lilly et al. Reduced Weight Artificial Dielectric Antennas and Method for Providing the Same . Патент США 6,075,485

42. Mickinzie W.E. Ill, Garrett S.L., Lilly J.D Tunable Reduced Weight Artificial Dielectric Antennas Патент WO 02/31914 Al

43. Mickinzie W.E. Ill, Mendolla G. Reduced Weight Artificial Dielectric Antennas Патент WO 02/31914 Al

44. P.А.Силин, В.П.Сазонов Замедляющие системы СВЧ, М., Советское радио, 1966.

45. Rodal Е. В. Curved Dipole Antenna with Center-post Amplifier Патент США 5,521,610, 1996г.

46. Hannon P.W., Lopez A.R., Kumpfbeck R.J Eight-Element Anti-Jam Aircraft GPS Antennas , Патент США 6,618,016 Bl, 2003г.

47. Parche F.E. Rotational Polarization Antenna and Associated Methods Патент США, 7,187,336 B2, 2007г.

48. Lackey R.J, Lopez A.R. Reduced-Size GPS Antennas for Anti-Jam Adaptive Processing Патент США 6,819,291 Bl, 2004г.

49. Rossman С., Zink К., Zane Lo Deployable^ Compact Multi- Mode Notch/Loop Hybrid Antenna, Патент США 7,271,775 В1

50. Lei Bian, Y.-X. Guo, L.C. Ong; X.-Q. Shi Wideband Circularly-Polarized Patch Antenna IEEE Trans. AP, v.54, No9, 2006

51. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н.Терешин Антенны УКВ, т.т.1,2 М., Связь, 1977

52. Ф.М.Морс, Г.Фешбах Методы теоретической* физики, т. 1. М., ИЛ, 1958.- 931 стр

53. Е.Н.Васильев Возбуждение тел вращения М., Радио и Связь, 1987

54. G. Kumar, К.Р. Ray Broadband Microstrip Antennas Artech House, 2003

55. Боровиков B.A., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции М. Связь 1978, 247 с.

56. Бабич В.М., Булдырев B.C. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн. М.: Наука, 1972. 465 с81 .П.Я.Уфимцев Метод краевых волн в физической теории дифракции, М.: Сов. Радио, 1962

57. П.Я.Уфимцев Теория дифракционных краевых волн в электродинамике М.: Бином, 2007

58. A. Michaeli Equivalent Edge Currents for Arbitrary Aspects of Observation IEEE Trans. AP, vol. 32, No3, 1984

59. A. Michaeli Elimination of Infinities in Equivalent Edge Currents, Part I: Fringe Current Components IEEE Trans. AP, vol. 34, No3, 1986

60. P.J. Johansen Uniform Physical Theory of Diffraction Equivalent Edge Currents for Truncated Wedge Strips, IEEE Trans. AP, vol.44, No7, 1996

61. G. Stratis, V. Anantha, A. Taflove Numerical Culculation of Diffraction Coefficients of Generic Conducting and Dielectric Wedges Using FDTD IEEE Trans AP, Vol 45, No 10,1997

62. E. Lier, K. Jakobsen Rectangular Microstrip Patch Antennas with Infinite and Finite Ground Plane Dimensions IEEE Trans. AP, vol.31, No.6, 1983

63. J. Huang The Finite Ground* Plane Effect on the Microstrip Antenna

64. Radiation Pattern IEEE Trans, AP, vol-31, No.4,1983

65. A.K.Bhattacharyya Effects of Finite Ground Plane on the Rdiation Characteristics of a Circular Patch Antenna IEEE Trans. AP, vol 38 no.2 1990

66. V.Volski, G.A.E. Vandenbosch Efficient Physical Optics Approximation for the Calculation of Radiation Patterns of Planar Antennas Located on a Finite Ground Plane IEEE Trans AP, vol.53, Nol, 2005

67. J.M.Tranquilla, J.P.Carr, H.M. Al-Rizzo Analysis of a Choke Ring Groundplane for Multypath Control in Global Positioning System (GPS) Applications IEEE Trans, AP, Vol.42, No 7, 1994

68. D. Sievenpiper, L.Zhang, R.F.J.Broas, N.G.Alexopoulos, E.Yablonovitch High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band IEEE Trans, MTT, vol. 47, 1999.

69. C.R.Simovski, P. de Maagt, I.melchakova High-Impedance Surfaces Having Stable Resonance With Respect to Polarization and Incidence Angle IEEE Trans., AP, vol.53, No.3, 2005

70. C.Mias, J.H.Yap A Varactor-Tunable High Impedance Surface With a Resistive-Lumped-Element Biasing Grid, IEEE Trans. AP, vol.55, No.7, 2007

71. A.P.Feresidis, G.Goussetis, S.Wang, J.C.Vardaxoglou Artificial Magnetic Conductor Surfaces and Their Application to Low-profile High-gain Planar Antennas IEEE Trans, AP, vol53 Nol, 2005

72. H.Mosallaeli, K.Sarabandi Antenna Miniaturization and Bandwidth Enhancement Using a Reactive Impedance Substrate IEEE Trans. AP, vol. 52, No.9, 2004

73. A.Pirhadi, M.Hakkak, F.Keshmiri, R. K.Baee Design of Compact Dual Band High Directive Elestromagnetic Bandgap (EBG) Resonator Antenna Using Artificial Magnetic Conductor IEEE Trans. AP, vol.55, No.6,2007

74. L.Akhoondzadeh-Asl, D .J.Kern, P.S.Hall, D.H.Werner Wideband Dipoles on Electromagnetic Bandgap Ground Planes, IEEE Trans. AP, vol.55, No.9, 2007

75. Weill, L.R. Conquering Multipath: The GPS Accuracy Battle, GPS World, vol.8, No.4,1997

76. W. Zhuang, J.M.Tranquilla Effects of Multipath and Antenna on GPS Observables, IEE Proc., Radar, Sonar @ Navigation, vol.142, No.5, 1995

77. B.R.Schupler, R.L.Allshouse, T.A.Clark Signal Characteristics of GPS User Antennas, Navigation: Journal of the Inst, of Navigation, vol.41, No.3, 1984

78. C.C.Conselman Multipath Rejecting GPS Antennas, Proc. IEEE, vol.87, No. 1, 1999

79. B.Rama Rao, et.al Research on GPS Antennas at MITRE, IEEE Position Location and Navigation Symposium, Palm Springs, California, 1998

80. R. Bancroft Microstrip and Printed Antenna Design, Noble Publishing, GA, USA, 2004

81. J.Liang, H.-Y. D.Yang Radiation Characteristics of a Microstrip Patch Over an Electromagnetic Bandgap Surface, IEEE. Trans. AP, vol.55, No.6, 2007

82. Y.Z.Umul Modified theory of Physical Optics Solution of Impedance Half Plane Problem, IEEE Trans. AP, vol.54, No.7, 2006

83. S. Tretyakov Analytical Modeling in Applied Electromagnetics, Artech House, 2003

84. R.G.Rojas, D.Colak, M.F.Otero, W.D.Burnside Synthesis of Tapered Resistive Ground Plane for a Microstrip Antenna, The Ohio State Univ., Columbus, Ohio, 43212-1191

85. J.M.Jin, J.L.Volakis, C.L.Yu, A.C.Woo Modeling of Resistive Sheets in Finite Element Solutions, IEEE AP, vol. 40, No.6, 1992

86. B.G.Westfall Antenna with R-card Ground Plane Патент США 5,694,136 1997г.

87. M.C. Heaton, P.J.Joseph, R.L.Haupt Uniform Theory of Diffraction Analysis of Conductive Strips with Constant and tapered Resistive Loads, IEEE, Antennas and Prop.Int. Symp., 1991, AP-S Digest

88. L.N.Medgyesi-Mitschang, J.M.Putnam Scattering from Composite Laminate Strips, IEEE Trans. AP, vol.37, No.l 1, 1989

89. T.L.Krohn, L.N.Medgyesi-Mitschang Scattering from Composite Materials: A First-Order Model, IEEE Trans. AP, vol.37, pp.219-228, 1989

90. H.-Y.D.Yang, D.R.Jackson Theory of Line-Source Radiation from a Metal -Strip Grating Dielectric-Slab Structure, IEEE Trans. AP, vol.48, No.4, 2000

91. R.B.Hwang, S.T.Peng Surface-Wave Suppression of Resonance-Type Periodic Structures, IEEE Trans. AP, vol.51, No.6, 2003

92. F.Capolino, D.R.Jackson, D.R.Wilton Fundamental Poperties of the Field at the Interface between Air and A periodic Artificial Material Excited by a Line Source, IEEE Trans. AP, vol.53, Nol, 2005

93. H.Liu, R.Paknys Comparison of near-Field Scattering for Finite and infinite Arrays of Parallel Conducting Strips, TM Incidence, IEEE Trans. AP, vol.53, No.l 1,2005

94. A.L.Zinenko, A.I.Nosich Plane Wave Scattering and Absorption by Flat Grating of Impedance Strips, IEEE Trans. AP, vol.54, No.7, 2006

95. R.W.Ziolkowski, A.Erentok Metamaterial-based Efficient Electricall Small Antennas IEEE Trans. AP, vol54, No.7, 2006

96. F.Capolino, D.RJackson, D.R.Wilton, L.B.Felsen Comparison of methods for calculating the Field Excited by a Dipole Near a 2-D Periodic Material, IEEE Trans. AP, vol.55, No6, 2007

97. RCiechetti A Class of Exact and Higher-Order Surface Boundaiy Conditions for Layered Structures IEEE Trans. AP, vol.44, No.2, 1996

98. P.-S. Kildal Artificially Soft and hard Surfaces in Electromagnetics, IEEE Trans. AP, vol.38, No 10, 2003

99. М.И.Канторович, М.И.Астрахан, В.П.Акимов, Г.А.Ферсман Электродинамика сетчатых структур, М.: Радио и Связь, 1987.127. http://pboweb.unavco.org/dmsdocs/Root%20Folder/PBO%200peratio ns/Designs/GPS/finalreportpbo.pdf

100. Ю.В.Линник Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений, М., Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1962129. www.topcon.com130. www.trimble.com131. www.leika.com

101. Д.М.Сазонов, А.Н Гридин, Б.А.Мишустин Устройства СВЧ, М: Высшая школа, 1981

102. Филиппов B.C., Татарников Д.В., Соколов А.С. Широкополосные печатные излучатели ФАР круговой и линейной поляризации — М., Радиотехника, №3, 1995, стр.61-63

103. Вычислительные методы, в электродинамике/ Под ред. Р. Митры, М: Мир, 1977

104. Г.Т. Марков, А.Ф Чаплин Возбуждение электромагнитных волн М: Радио и связь, 1983

105. И.С. Градштейн, И.М. Рыжик Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений М.: Гос. изд-во физ-мат. лит, 1963

106. Фелсен. Н.Маркувиц Излучение и рассеяние волн, т.1 М.: Мир, 1978

107. Электродинамика антенн с полупрозрачными поверхностями/ Под ред. Б.З.Каценеленбаума, А.Н.Сивова М: Наука, 1989

108. Н. Амитей, В.Галиндо, Ч.Ву Теория и анализ фазированных антенных решеток М: Мир, 1974

109. N. Whitaker DARPA's Strategy to Promote the Development of Autonomous Vehicles ION NTM 2008 San Diego, CA, January 28-30

110. A.Kumar, H.D.Hristov Microwave Cavity Antennas, Artech House, 1989.

111. Татарников Д.В. Экраны антенн высокоточной геодезии по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Часть 2. Полупрозрачные экраны из композитных материалов. Антенны, №6(133) М., Радиотехника, 2008, стр. 3-13

112. Татарников Д.В. Экраны антенн высокоточной геодезии по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Часть 1. Идеально проводящие и импедансные экраны. Антенны, №4(131) М., Радиотехника, 2008, стр. 6-19

113. A.R. Lopez LAAS/GBAS Ground Reference Antenna with Enhanced Mitigation of Ground Multipath: ION NTM 2008 San Diego, CA, January 28-30

114. B.A.Munk Frequency Selective Surfaces Wiley Inc., 2000

115. АлексеевИ.Г., Федянович В.И., Шестаков Ю.А. Прозрачность частой решетки из параллельных перекрывающихся металлических лент, разделенных слоем диэлектрика М., Радиотехника и Электроника, 1989, т.34, №3, стр.499-504151. www.javad.com