автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование и разработка антенн с линиями лестничного типа

На правах рукописи

Федотов Александр Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНТЕНН С ЛИНИЯМИ ЛЕСТНИЧНОГО ТИПА

Специальность 05 12 07 Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2006

003067961

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Центральное конструкторское бюро-связь» - ОАО «ЦКБ-связь» (г Москва)

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Борзов Андрей Борисович;

доктор технических наук, профессор Егоров Евгений Николаевич;

доктор технических наук, профессор Раевский Сергей Борисович

Ведущая организация Самарский отраслевой научно-

исследовательский институт радио ФГУП СОНИИР (г Самара)

Защита диссертации состоится «8» февраля 2007 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д212 141 11 Московского государственного технического университета им НЭ Баумана 105005, Москва, ул 2-я Бауманская, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им Н Э Баумана

Автореферат разослан « /41 » декабря 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д т н , профессор

Власов И Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Руководством Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации (бывшее Министерство связи РФ) неоднократно отмечалась важность создания современных средств связи, таких как сотовых наземных систем подвижной связи, локального бескабельного телевидения MMDS, INTERNET, систем спутникового телевидения, спутниковых радио систем связи и ряда других

К настоящему времени разработан ряд программ и проектов по модернизации и развитию радиосредств, например, «Программа развития систем спутниковой связи и вещания Российской Федерации на 1992 — 2000 г «Россия», Федеральная программа «Электронная Россия (2002 -2010) годы»

Создание новых радиосистем передачи информации во многом определяется конструктивными параметрами, электрическими характеристиками антенн (таких как всенаправленные в азимутальной плоскости антенны, секторные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности (ДН), равную заданному угловому сектору обслуживания, остронаправленные антенны), их себестоимостью изготовления, удобством эксплуатации и дизайном

Сейчас в качестве таких антенн используются, как правило, вибраторные, щелевые излучатели, диэлектрические антенны, фазированные антенные решетки (ФАР) из них, зеркальные и линзовые антенны В ряде случаев эти антенны по тактико-техническим характеристикам не удовлетворяют в достаточной степени требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам

В связи с этим можно утверждать, что создание оригинальных антенных устройств, развитие новых теоретических методов описания их функционирования и совершенствование технологии их изготовления является актуальной научно-технической задачей

Однм из других направлений теории антенных устройств является решение задач синтеза нахождение по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве практически реализуемых по конфигурации проводников и диэлектриков, образующих антенно-фидерное устройство, закона изменения диэлектрической и магнитной проницаемости, распределение поверхностного импеданса вдоль антенно-фидерного устройства и т п

Так как возможность изменения формы антенны и электрических параметров материалов, из которых она изготовлена, значительно ограничена условиями их изготовления и эксплуатации, то особый интерес представляет задача нахождения распределения импеданса на поверхности антенно-фидерного устройства по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве при фиксированной геометрии устройства

Обширный обзор научных работ, посвященный структурам с поверхностным импедансом, был сделан М А Миллером и В И Талановым, которые акцентировали внимание на то, что импедансные соотношения между компонентами электромагнитного поля являются простейшими из числа обеспечивающих единственность решения задачи, позволяющие получить легко интерпретируемые результаты даже для сложных электромагнитных структур, а следовательно, и анализировать эти структуры с общих позиций

Численные решения задач синтеза импедансных структур, как правило, приводят к необходимости исследовать плохо обусловленные системы линейных алгебраических уравнений высокого порядка, решение которых по-прежнему составляет одну из сложных проблем численных методов в электродинамике

Одним из направлений решения задач синтеза импедансных структур в аналитическом виде являются методы решения, основанные на усредненных граничных условиях, которые справедливы для определенного класса импедансных структур

Эффективность использования усредненных граничных условий при исследовании электромагнитных свойств различных проволочных сеток (рассматривая их как импедансные структуры) показана в работах КонторовичаМ И , Вайнштейна Л А и Сивова АН В работах Терешина О Н и Двуреченского В Д исследован ряд оригинальных антенных устройств с использованием усредненных импедансных граничных условий для структур в виде ограниченного числа тонких проводников, в которые периодически включены сосредоточенные реактивные нагрузки, двумерно периодических проволочных и щелевых структур в виде проволочных и щелевых сеток, в провода и щели которых включены реактивные сосредоточенные нагрузки

Одним из продуктивных направлений создания новых антенно-фидерных устройств является рассмотрение электродинамических структур, которые можно представить в виде отрезка эквивалентной двухпроводной линии, содержащей периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок с переменным импедансом (лестничные линии) Для описания работы таких устройств, как правило, используются неоднородные телеграфные уравнения

Представляется перспективным применение неоднородных телеграфных уравнений при синтезе излучающих отрезков лестничных линий

Цель работы - создание эффективных и высокотехнологичных антенн на основе линий лестничного типа для радиосистем передачи информации, таких как системы стационарной и подвижной радиосвязи, радиорелейной связи, спутникового телевидения, передачи данных и др

Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи

- теоретически обосновать и разработать алгоритмы синтеза излучающих систем лестничного типа, основанные на решениях обобщенных телеграфных уравнений,

- теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность создания эффективных излучающих систем на основе нерегулярных проводных и полосковых линий передач,

- разработать методики синтеза антенн, включая плоские антенны, с заданными характеристиками излучения,

- оценить эффективность разработанных методик, апробировав их при создании оригинальных антенн для радиосистем передачи информации в широком диапазоне частот

Методы исследования: аналитический аппарат электродинамики, метод синтеза антенн, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы малого параметра и медленно изменяющихся функций, теория рядов Фурье

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Разработаны теоретические основы излучающих устройств в виде линии лестничного типа — двухпроводной линии с последовательно и параллельно включенной системой сосредоточенных нагрузок, получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно для практического применения электродинамические процессы в этих структурах

2 Определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах, найдены общие решения относительно неизвестных сосредоточенных нагрузок для различных форм задания требуемого для практической реализации тока или напряжения

3 Использовав результаты теоретических исследований, разработана методика синтеза вибраторной и рамочной антенн бегущей волны с линией питания лестничного типа

4 Для однопроводной лестничной структуры в виде расположенного над плоским экраном провода (или проводящего полоска), в который на одинаковом расстоянии друг от друга включены реактивные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами лестничной структуры при распространении в ней ускоренной волны тока

5 Теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность существования в линии лестничного типа модулированного по амплитуде и (или) фазе тока, который можно представить в виде суммы трех бегущих волн, одна из которых при определенных параметрах модуляции может быть ускоренной, обеспечивающей излучение в заданном направлении

6 На базе результатов теоретических исследований разработана методика синтеза излучающих модулированных линий лестничного типа структур на основе двухпроводной и однопроводной линий передач, в которые последовательно или параллельно включены периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок, импеданс которых изменяется вдоль антенны

7 Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика синтеза полосковых антенн вытекающей волны в виде отрезка несимметричной полосковой линии с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения ширины полоска

8 Разработана методика синтеза линейных антенн с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости на базе модулированных двухпроводных линий с периодическим изменением либо систем реактивных нагрузок, включенных в провода линии, либо диаметров проводов линии

9 Предложены теоретические основы полосковых антенн с изменением волнового сопротивления по соответствующему квазипериодическому закону, обеспечивающего необходимое для повышения эффективности функционирования антенной решетки амплитудно-фазового распределения тока вдоль антенны

10 На базе разработанных теоретических основ модулированных полосковых линий с использованием рядов Фурье предложена методика расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы, соединенных отрезками полосковых линий

11 Предложены основные принципы технической реализации плоских антенных решеток в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением (переменной шириной полоска)

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем

предложенные в диссертационной работе алгоритмы синтеза излучающих линий лестничного типа положены в основу методик расчета целого ряда антенн

низкоподвешенные антенны, имеющие высоты подвеса излучающей структуры над металлом от (0,03 - 0,1

линейные антенны с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости,

секторные антенны с шириной диаграммы направленности 120°, 90°, 60°, 45°, 30° в одной плоскости и 15° - 5° градусов в другой плоскости,

плоские антенные решетки с коэффициентом усиления до 40 дБ

Результаты теоретических и экспериментальных диссертационных исследований, полученные в процессе диссертационных исследований, легли в основу пятнадцати авторских свидетельств и патентов на изобретения оригинальных антенн

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработках антенных устройств в опытно-конструкторских работах «Двина», «Двина-М», «Робот», «Линия» (заказчики МВД РФ, Минсвязи РФ и др ) и семнадцати научно - исследовательских работах, выполненных в ОАО «ЦКБ-связь»

ОАО «ЦКБ-связь» выпускает целый ряд антенн, при разработке которых использовались методики, созданные на базе результатов диссертационных исследований, для различных радиосистем в диапазонах частот (от ОД до 80)ГГц

Апробация результатов работы и публикации.

Основные положения и результаты работ докладывались на двух научно-технических конференциях и на НТС Министерства связи СССР (1989 г), а созданные на основе результатов диссертационной работы антенны представлялись на международных выставках

- в Москве «Связь-94», «Связь-95», «Связь-96», «Связь-97», «Связь-98», «Связь-99», «Связь-2000», «Связь-2001», «Связь-2002», «Связь-2003», «Связь-2004», «Связь-2005»,

- в Женеве «Телеком-96», «Телеком-97»

Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в монографии и 11 статьях в ведущих научно-технических журналах, 17 отчетах по НИР

Новизна предложенных технических решений защищена 15 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения

На защиту выносится: - основанный на решениях обобщенных телеграфных уравнений, математический аппарат синтеза линий лестничного типа,

- методика синтеза вибраторных и рамочных антенн с линией питания лестничного типа,

- методика синтеза антенн бегущей волны в виде излучающеи регулярной линии лестничного типа,

-теоретическое обоснование возможности реализации условий излучения в линиях лестничного типа, представляя ток в линии в виде суммы трех бегущих волн, одна из которых ускоренная (излучающая),

- теоретическое обоснование синтеза излучающих модулированных линий лестничного типа с использованием понятия малого параметра,

- теоретические основы синтеза проводных и полосковых антенн вытекающей волны в виде отрезков линий с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения диаметра провода или ширины полоска,

- методика коррекции амплитудно-фазового распределения тока вдоль антенны бегущей волны за счет введения в это распределение медленно изменяющихся функций,

- методика синтеза линейных антенных решеток полосковых излучающих элементов различной формы, базирующихся на разработанных теоретических основах модулированных полосковых линий,

- основы технической реализации плоских антенных решеток в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Общий объем основной части диссертации содержит 271страницу, из которых 158 страниц текста, 113 страниц иллюстраций

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работ, показана ее новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту

Первая глава посвящена разработке теоретических основ линий лестничного типа и выводу основных расчетных соотношений Определено понятие линии лестничного типа как двухпроводной линии передачи, в провода которой на расстоянии Т друг от друга включены сосредоточенные сопротивления Zin(z), а между ними расположены сосредоточенные проводимости Y2n(z), соединяющие провода линии (ось z - направлена вдоль двухпроводной линии)

На основании уравнений Максвелла в интегральной форме, в случае, когда период Т достаточно мал, получены обобщенные телеграфные уравнения

Для регулярной линии лестничного типа произведен анализ решений уравнений в зависимости от значений реактивных нагрузок, включенных в лестничную линию

Для регулярной линии лестничного типа в виде двухпроводной линии с последовательно включенными периодическими реактивными нагрузками для случаев существования в ней ускоренной или замедленной волны произведен расчет значений этих нагрузок на основе решений обобщенных телеграфных уравнений и через усредненные граничные импедансные условия на периодически нагруженных проводах Сравнивая полученные выражения для различных значений радиусов проводов сделан вывод о допустимости практического использования обобщенных телеграфных уравнений При распространении ускоренной волны в линии допустимое

расстояние между проводами может достигать 0,3 А. (где X - длина волны), при распространении замедленной волны до 0,2Х

Для нерегулярной линии лестничного типа решение системы обобщенных дифференциальных уравнений осуществляется при условии, когда известно либо распределение тока 1(г), либо напряжения и(г) вдоль линии, а неизвестными являются функции и У2„(г) В этом случае из

системы обобщенных уравнений известным способом получены два дифференциальных уравнения первого порядка относительно функций г,„(г) и У2„(г)

= о, (1)

аг ей аг

где ^(-) = 1/2,„(.-), г2„(:) = 1 /У2„(_~)

Решение уравнений (1) и (2) могут быть использованы для решения задач синтеза, которые заключаются в нахождении распределения импе-дансов нагрузок включенных в линию по заданному распределению напряжения 1Дг) или тока 1(г) в линии

При задании распределения напряжения в линии в виде

Щг) = ио Иг) + /Р(2)1

(где ¥(2), У(г) - известные действительные функции, ио - амплитудный множитель)

После соответствующих преобразований полученные решения дифференциального уравнения (1) имеют следующий вид

ы*)-^—*--. (3)

){F2(z) + 4-\z))32n(z)dz + C

Bl•(Z) =-dfF)-е№ (г) ' W

dz az

где Yu(z) = Gl„(:) + jB[„(z), Y2n(z) = Gln(z) + jB2n(z) Gin, G2n> в1п, B2n - действительные функции от z В1„(г) = 2Х,(г)/Г, B2„(z) = B2(z)/T, a G2„(z) = G2(z)/T, С - постоянная интегрирования

При задании напряжения в линии в виде ид{2) = и0Г{г)е^\

где ф(г) - известные действительные функции) Решения дифференциального уравнения (1) получено в виде

\Уг{2)01п{2)с1г + С

В,. =-

V1 (2)

1 [лг(г) <«,.(*)

(Ь

Г(г)

¿¡ У (аф)

сЬг

(5)

(6)

Решение дифференциального уравнения (2) для тока 1(г), заданного в виде

(где 10 — амплитудный множитель) получено в виде

<М(2)<1Хг„{2) с12Ч>(2)

_ С/2

а!г

й2г

^2„(z) + ЛI„(z)F(z)

Ч>(2)

(г)+ Ч'2 (.-))/?, „(г)А +С

У(2)

с/Г(:) с№(г) сЬ сЬ

(7)

(8)

где 2Хп (г) = (г) + ]Х,п (г), 22„ (г) = Я1п (г) + ]Х1п (г), К]П(г), К2„(г), Х|„(7,), Х2„(7.) — действительные функции от ъ В случае задания амплитудно-фазового распределения тока в виде

(где Г(7) - функция распределения амплитуды тока вдоль линии, ср(г) - функция распределения фазы тока вдоль линии), решение дифференциального уравнения (2) имеет вид

рЮЪ.ЮеЬ + С

1\2)

сЬ

1 \(11{г)(1Хи{г) 1(г)\ </г <к

йг1(2) П(р{2) ¿21 \ й2

ХгпЮ

(9)

(10)

высокопроницаемой связи с активной подошвенной водой, и при достаточном снижении давления в трещинной системе в массообмен вступают блоки. Такие скважины долгое время работают с низкой обводненностью.

ЕБ.1Г мУсут 1 |Ц ||ц|||1.н-|. 1')М1 м;н риим ***■""

1

т I ч ! 1

1 ¡№11111111:

Рис.З. Кривая притоки по скважине № 38303Г

Разбив КВД на 2 участка, проинтерпретируем и\ по методике Полларда:

Трещины (1участ) трещины + блоки (2учасг)

Скин-фактор -0.03 -0,8?

Продуктивность м7(е МПа) 10"5 62.9 4,6

Трещинная проницаем ¡шаг 0,1049 (меютрещ) 0,0077

Пористость трещин % 0,003 0,02

Пористость матрицы % 21,980

Раскрытость трещин мм 2,73 0,31

Размер блоков мм 942 44

Проницаемость трещин на 2 порядка выше проницаемости блоков. Условная раскрытость трещин 1 участка на порядок выше 2 участка. Меньший условный размер блоков свидетельствует о их более активном участии в работе пласта. Из-за значительно меньшей проводимости блоков коэффициент продуктивности по области питания скважины снижается в 14 раз.

Кривая притока скважины 38()37г значительно отличается от предыдущей. В первые минуты она резко падает и в дальнейшем монотонно снижается без существенных скачков (рис.4). В данном случае мы имеем КП для однородного пласта, а именно трещин, гидродинамически связанных с подстилающей подошвенной водой.

Используя решения дифференциального уравнения (3) и (4), полученные в первой главе, получены соотношения, позволяющие связать величины реактивных нагрузок Х„, и В„2 с распределением тока на входах вибраторов, которые определяются по заданной диаграмме направленности

Эта же методика позволяет рассчитывать вибраторные антенны бегущей волны, расположенные над металлическим экраном на высоте Ь Диаграмма направленности вибраторной антенны длиной Ь = ЗХ с

К П Д = 0,85 приведена на рис 2

расчетная ДН экспериментальная ДН

Рис 2

Разработана с использованием соотношений (5) и (6) методика синтеза рамочной антенны бегущей волны с линией питания лестничного типа, представляющую собой периодическую структуру из соосных металлических рамок, расположенных на расстоянии Т друг от друга (рис 3) Каждая рамка соединена с двухпроводной линией питания лестничного типа, в проводники которой последовательно

и параллельно включены реактивные нагрузки и

Рис 3

Напряжение в двухпроводной линии задается в виде

!/(*) = С/вК(2)ехр(/р(г))

Приведены результаты расчетов и экспериментальных исследований рамочной антенны

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей линии лестничного типа в виде двухпроводной линии с последовательно включенными реактивными нагрузками (рис 4)

Рис 4

Ток в линии задан в виде ускоренной затухающей бегущей волны,

где а - коэффициент затухания, Р - постоянная распространения, причем р < к

Для антенны в виде двухпроводной линии или наиболее часто применяемой на практике антенны в виде расположенного над металлом проводника, в которой периодически включены реактивные нагрузки, получены расчетные соотношения для определения реактивного сопротивления нагрузок Хн и радиуса провода а в зависимости от требуемой диаграммы направленности, выбираемого из класса реализуемых ДН Диаграмма направленности этой антенны длиной Ь=5Л. приведена на рис 5

■экспериментальная ДН

-расчетная ДН

а = 0,23-X

Р = 3,425 —

1

/ % $ \

о ¡о ¡а ео ю юо ш /« т по

в

Рис 5

Рис. 7.

экспериментальна ДН расчетная ДН

1. = ЗА.

« = 0,33-Я

[5 = 4

Ий

К.П.Д. антенны составляет 0,9, что значительно выше, чем у известной антоним бегущей водны Бсвереджа.

Разработана методика расчета

Ток в несимметричной полосковой линии задается в таком же виде, как и в предыдущей антенне.

Приведены расчетные соотношения, результаты расчета и эксперимента (рис. 7).

антенны на основе излучающей линии лестничного типа в виде несимметричной полосковой линии шириной Ь, в полосок которой периодически включены реактивные нагрузки (рис. 6).

Рис. 6.

В третьей главе отражены результаты разработки методов синтеза антенн на основе модулированных линий лестничного типа.

Понятие модулированных линий лестничного типа введено по аналогии с работой К.Уолтера «Антенны бегущей волны», где рассматриваются антенны медленных волн сплавным изменением поперечных размеров. Вводя некоторую периодичность в это изменение, можно регулировать уровень боковых лепестков и управлять положением максимума излучения антенн медленных волн. Такие излучающие структуры с периодич-

ностью в плавном изменении поперечных размерах были названы модулированными линиями лестничного типа

Под модулированными линиями лестничного типа в диссертации понимаются линии, в которых в амплитудно-фазовом распределении тока (напряжения) в линии можно выделить периодическую функцию Ток в линии лестничного типа задается в виде

1л{2) = 1о{\ + ИС05Ро2У°\ (П)

I I 2яг

где ц - постоянная, причем | ц I < 1, Р„= — > Тт - период модуляции,

т

Если д - действительная величина, то ток (11) модулирован по амплитуде Если //= —уД(р, то выражение (11) описывает с точностью о[(Д^)2] ток, модулированный по фазе

Т — т р'"2¿.-Л/ь+ДрикД/)

2 л ~ е

Если ц - комплексная величина, то ток (11) модулирован по амплитуде и фазе

Модулированный по гармоническому закону ток (11) можно представить в виде трех бегущих волн (трех гармоник) тока

где - постоянные, причем |^!|<1, |^21<1, Яъ Яг- комплексные

волновые числа, qí =-а-у (/?-/?„}, Я2=-а-^ +/}„).

Если р > к и период модуляции Тт выбран таким образом, что Р - Ра = к соэ ва, где 60 - угловой параметр, то вторая гармоника тока является ускоренной затухающей волной, обуславливающей излучение электромагнитной энергии замедленной волны питания Изменяя угловой параметр 0О можно обеспечить условия как для прямого излучения лЛ

О<0„<— I, свойственного излучающей регулярной лестничной

структуре, так и для обратного излучения <ва При в0 — ~

максимум излучения направлен перпендикулярно к структуре

При разработках методов синтеза модулированных излучающих линий лестничного типа использовался метод малых параметров

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей полоско-вой линии с модулированной фазой тока, представляющая собой несимметричную полосковую антенну, в которой кроме нагрузок ХиЬ включенных в полосок, есть реактивные нагрузки Вн2, соединяющие полосок с экраном между нагрузками Хн1 Эквивалентная схема такой антенны имеет вид линии лестничного типа, в которой

X..

+ к1Г, +

Д.

где

к~ X '

X - длина волны,

Д

Ж.

волновое сопротивление ненагру-сопротив-

женной регулярной несимметричной полосковой линии, 11и ление излучения элемента тока длиной Т

Сопротивление Х„1 и проводимость Вн2 определяются по выражениям (9,10), полученным в первой главе При этом постоянная интегрирования С определяется из условия распределения активной мощности вдоль антенны, а сопротивление излучения Яи находится из условия равенства мощности, излучаемой антенной, и мощности излучения в дальней зоне антенн Для сравнительно длинных антенн (Ь » Я.) функции изменения Хн1 и Вн2 вдоль антенны имеют следующий вид

хнХ=т

в„г =Т

В\ 1 + А(р—сов ВгI - к\Ул 2аТИ\_ /3 )

4аТ „(, . р0 п Л к' -В\ 1 +Др—соэ/?„г--

К Ч Р ) ^

(12)

где к - волновое число, Дер - глубина модуляции фазы тока, Л> ~

2 к

Тт - период модуляции фазы тока, а = -—1п(1-7;), Ь - длина антенны,

г| - КПД антенны по питанию, Д -

Д,

Из полученных выражений следует, что для создания условий существования в линии лестничного типа тока, модулированного по фазе, необходимо периодически изменять сосредоточенные реактивные нагрузки Х„ь Вн2, т е осуществлять их модуляцию вдоль линии, что дает основание называть такие линии модулированными

Так как в сантиметровом диапазоне волн реализовать последовательные индуктивные нагрузки Х„, затруднительно, то рассмотрена модулированная линия лестничного типа, когда Х„1=0 В этом случае выражение (12) преобразуется к следующему выражению

Жл=^{р + А<рр0с05р0:), 2 к а

т е требуемое распределение тока в линии обеспечивается периодическим изменением вдоль линии ее волнового сопротивления и проводимости Вн2 реактивных нагрузок, параллельно включенных в линию на одинаковом расстоянии Т друг от друга (рис 8), которые реализуются полосковым шлейфом

Рис 8

Диаграмма направленности антенны длиной L=11Л. изображена на рис 9

Г(в) I

0}

it

or

—

г!

vA А

V г-

экспериментальная ДН • расчетная ДН

а = 0,06-X

Р. =10} А<р = 0,3

I1S во д А"»/

Рис 9

Приведена так же методика синтеза антенны в виде излучающей полос-ковой линии с амплитудной модуляцией тока, т е ток I(z) в полосковой линии с двойной системой периодически включенных реактивных нагрузок модулирован по амплитуде

I(z) = 10 (l + т cos Дг)ехр(- j[k-az), где m - глубина амплитудной модуляции, причем m < 1

Приведен анализ частотных свойств (в частности частотное сканирование) антенн вытекающей волны, к которым относятся рассмотренные выше излучающие модулированные полосковые линии

Показано, что изменение угла максимального излучения прямо пропорционально изменению частоты

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей полоско-вой линии с модулированным волновым сопротивлением, когда Хн1 = 0 и В„2 = 0

Ток линии в этом случае модулирован по амплитуде и фазе и записывается в следующем виде

/(г) = /„е"«* (1 + тсоэ ^У'^™ где т - индекс амплитудной модуляции, Д - индекс фазовой модуляции, Р - модуляционное волновое число, а - коэффициент затухания

При малой глубине модуляции фазы (Д<1) ток в линии можно представить в виде суммы трех гармоник одна из которых обуславливает излучение из линии в виде вытекающей волны

Из решения дифференциального уравнения получено уравнение для определения индекса амплитудной и фазовой модуляции, а также закон изменения волнового сопротивления \Ул(г) излучающей полосковой линии

Приведен порядок расчета этой антенны (рис 10),результаты расчета и измерения электрических характеристик, в том числе и ДН (рис 11)

Рис 10

|

А

1 л

л . ч А г \г\

V \ Г ¿V

_расчетная ДН

— экспериментальная ДН Длина антенны — ЮЛ, а = ОДА."1 т = 0,38

£0 60 70 & /00

/¿о <ег>

Рис 11

л„н™бЛпМеТ0ЛИКИ СИНТе3а аНТеННЫ В ВВДе излучающей полосковой линии с модулированным волновым сопротивлением разработан и изгото-

12о" ГТ°Г>,Х аНТСН" С ШИРИ"°Й Д"аграммы направленности

: ' ' 6„° ' 45 и 30 в ОДНои плоскости и 5° - 15° в другой с центральной рабочей частотой от 1 ГГц до 12 ГГц Р

тим™ЖеНаНа МСТ°ЛИта СИНТСЗа ОДн°нРоводной антенны с изменяющимся диаметром провода (рис 12)

Рис 12

Ток в линии задается в виде суммы трех гармоник

I = /„(exp(?ez) + £ exp(qr,r) + £ exp(^2z)),

где ge=~a-jk, qt =~a~ jß, q2 =-a-j(2k-ß), Чо_амплитудный множитель, и & - комплексные постоянные, U, | < 1 Ы < j а - коэффициент затухания

Синтез антенны производится на основе граничных условий на поверхности провода линии, которым должны удовлетворять электрические составляющие электромагнитного поля, создаваемого токами в линии Приведены расчетные соотношения, результаты расчетов и измерений электрических характеристик

Разработана методика синтеза антенны на основе излучающей модулированной периодически нагруженной двухпроводной линии с круговой

диаграммой направленности в поперечной плоскости (рис 13)

^ _

У ~

Рис 13

Для этого в двухпроводной линии в провода включены неодинаковые реактивные нагрузки, а токи в первом проводе 1,(г) и во втором проводе Ы?) имеют следующий вид

12Ю = -10(е"

где 10 - постоянный множитель, Ч0=ао~ }Ро> Ч\ ~ ~ао ~ ~~ Р\ Яг = ~ао - ./(Л> + /0> и - постоянные, причем | ^ | < 1, IЫ < 1> р0-волновое число волны питания, р-волновое число, определяющее модуляцию реактанса нагрузок, а0 -коэффициент затухания, при условии Р = Р<, вторые гармоники в проводах линии синфазны

Установлено, что для обеспечения условия существования в периодически нагруженной двухпроводной линии таких токов необходимо изменять реактансы нагрузок, включенных в провода по одинаковым гармоническим законам со сдвигом на п во втором проводе относительно первого Из условия энергетического баланса (равенства изменения мощности волны питания и мощности излучения) определены коэффициенты I и

ы

Полученные расчетные соотношения позволяют расчитать закон изменения реактивных нагрузок в каждом проводе в зависимости от требуемой диаграммы направленности из класса реализуемых ДН Предложена методика синтеза антенны с круговой диаграммой направленности в поперечной плоскости на основе излучающей модулированной двухпроводной линии с изменяющимися диаметрами проводов (рис 14)

Рис 14

Токи, протекающие в первом 1,(7) и втором 12(г) проводах имеют вид АО) = /в(ехр(?вг)+& ехр(с]2г)\

= 1о{~ехр{Яо2) + ехр(<7|2) + <?2 ехр(#22))> где 10- амплитудный множитель, д„ =-а- JP0, д1 = -ао -//?,,

= ~ > а - коэффициент затухания, рт - волновое число, т = 0,1, 2, ^¡и £,2- постоянные, причем I ^ | < 1, | ¡;21 < 1 Если ро = к, Р1 = к - р, р2 = к + р, где р = к(1 - со50о), 0О - угол, определяющий направление вытекания волны, соответствующей второй гармонике токов в проводах линии В этом случае в линии происходит преобра-

зование энерги несимметричной волны питания (первая гармоника тока) в энергию излучения посредством второй гармоники токов При этом двухпроводная линия представляет собой антенну вытекающей волны с равномерной ДН в поперечной плоскости, которая при во = 90°, ро = к, Р1 = 0> Рг= 2к эквивалентна синфазной линейной вибраторной решетке

Из полученных расчетных соотношений следует, что радиусы проводов вдоль линии изменяются по периодическому закону со сдвигом друг относительно друга на половину периода

Для практической реализации антенны конструктивно выгодно изготавливать провод в виде эквивалентного полоска с переменной шириной Д(г), которая связана с радиусом провода а(г) соотношением А(г) = тга(г)

Эта методика легла в основу при создании антенн базовых станций с центральной рабочей частотой от 140 МГц до 12 ГГц и коэффициентом усиления от 8 до 16 дБ

Диаграмма направленности антенны базовой станции длиной 5Х в угло-местной плоскости приведена на рис 15 неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости менее 1 дБ Г/в)

_экспериментальная ДН

— расчетная ДН

Рис 15

Четвертая глава посвящена исследованию возможности создания плоских антенных решеток в виде отрезков излучающих модулированных полосковых линий

На базе разработанных теоретических основ модулированных полосковых линий предложен метод расчета линейных полосковых антенных

решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы, соединенных отрезками полосковой линии, рассматривая их как периодические структуры

Метод основан на выборе одинаковых коэффициентов в первых членах ряда Фурье для периодически изменяющихся функций ширины полоска модулированной линии и периодической функции полосковых излучателей разной формы

Приведены результаты сравнительных измерений модулированной полосковой линии и линейных антенных решеток с различной конфигурации полосковых излучателей, которые подтверждают эффективность предложенного метода

Разработана методика синтеза излучающей полосковой линии, в которой возможена реализация требуемого амплитудного распределения тока вдоль излучающего элемента Ток в линии задается в виде

l{z) = 10е~Нг)! [1 + от/О) cos где m - индекс амплитудной модуляции, Д - индекс фазовой модуляции, р, к - волновые числа (к = 2кГк), X - длина волны, f(z) - медленно изменяющаяся функция, 10 - постоянный множитель, S(z) - медленно изменяющийся коэффициент затухания

Под медленно изменяющимися функциями здесь понимаются функции <p(z) у которой выполняются следующие условия «I'/K2))'

\<p"{z)\«\<p\z)\

Полагая, что m и Д меньше единицы ток с точностью 0(Д2) можно представить в виде суммы трех бегущих волн

I(z) ^^[e^+^zy^2 +Цг)с]{к+Р)г\

где

Использование медленно изменяющихся функций позволяет изменять амплитудное распределение излучающей гармоники тока вдоль антенны Подбирая f(z) и 5(z) соответствующим образом можно получить амплитудное распределение близко к равномерному, что позволило повысить коэффициент использования поверхности (КИП) антенны по сравнению с КИПом антенны при экспоненциальном амплитудном распределении, свойственным для регулярной модулированной линии

Получены расчетные соотношения и приведен порядок расчета такой полосковой антенны (рис 16) с переменным волновым сопротивлением, изменяющимся по квазипериодическому закону

Рис 16

где ХУ,,, — максимальное значение волнового сопротивления, а ш определяется из следующего выражения

5Щ--

IVm21 2 + f{L)M

W. 32 л-

В1

2 + mi~f(L)

( rmm — ~> А - минимальная ширина полоска, М - константа, определяемая из баланса мощности) На рис 17 представлена диаграмма направленности антенны длиной L =15А. с амплитудным распределением излучающей гармоники тока близким к равномерному Fíe)

1

h

\ 1 л Ifc VV

L= 151

-----экспериментальная ДН

_расчетная ДН

&1град

Рис 17

Для плоских антенных решеток произведен оптимальный выбор возбуждающего устройства, которое обеспечивает согласование линии питания с системой полосковых излучателей

Приведен анализ и выбор схем построения антенных решеток отрезков излучающих модулированных полосковых линий

Схемы антенных решеток с возбуждающими устройствами на основе несимметричной полосковой линии целесообразно использовать в диапазонах частот до 8 ГГц, что обуславливается их простотой реализации и резким возрастанием потерь на более высоких частотах

В диапазонах выше 8 ГГц целесообразно применять возбуждающие устройства на основе рупорнопараболических, рупорных и рупорных антенн с коррекцией фазы

Представленные схемы построения антенных решеток позволяют реализовать антенны с усилением от 10 до 40 дБ на частотах от 1,0 - 80 ГГц

На основании экспериментальных исследований в различных диапазонах частот сделан вывод, что отрезки модулированных линий лестничного типа могут быть использованы для создания высокоэффективных плоских антенных решеток, отличающихся от известных простотой конструкции, технологичностью и низкой себестоимостью изготовления, особенно, когда в качестве излучающих элементов применены отрезки несимметричных полосковых линий, волновое сопротивление которых изменяется по периодическому закону, за счет соответствующего изменения ширины полоска

Теоретические и экспериментальные исследования плоских антенных решеток отрезков излучающих полосковых линий легли в основу разработок плоских антенн спутниковых телевизионных систем, антенн ретрансляторов наземных систем связи и других радиосистем

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы

1 Теоретически исследованы излучающие устройства, которые можно представить в виде линий лестничного типа - двухпроводной линии, в которую включены параллельно и последовательно периодические системы сосредоточенных нагрузок Использовав уравнения Максвелла в интегральной форме получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно электродинамические процессы в линиях лестничного типа при условии распространения в них бегущих волн тока (напряжения)

2 Теоретически определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах Найдены общие решения уравнений относительно неизвестных сосредоточенных реактивных нагрузок при выполнении этих условий для различных форм задания требуемого для практической реализации тока (напряжения)

3 Разработаны теоретические основы синтеза вибраторной и рамочной антенн бегущей волны с линией питания лестничного типа, позволившие связать импеданс реактивных нагрузок с конструктивными параметрами, характеристиками диаграммы направленности антенн и оценить их электрические характеристики (входное сопротивление, коэффициент полезного действия и др)

4 Для однопроводной лестничной структуры в виде расположенного над плоским экраном провода, в который на одинаковом расстоянии друг от друга включены сосредоточенные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами лестничной структуры при распространении в ней ускоренной волны тока Результаты сравнительных вычислений показали, что описывающие эту же связь выражения, которые следуют из решений обобщенных телеграфных уравнений, дают практически идентичные значения, что подтверждает правомочность использования телеграфных уравнений для исследования излучающих лестничных структур

5 Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность (при периодическом изменении импедансов сосредоточенных нагрузок) существования в линии лестничного типа модулированного по амплитуде или (и) фазе тока, который можно представить в виде суммы трех бегущих волн Одна из этих волн, при определенных параметрах модуляции, может быть ускоренной (вытекающей волной), обуславливающей электромагнитное излучение в заданном направлении

6 Разработаны теоретические основы синтеза излучающих модулированных лестничных структур, построенных на основе двухпроводной и однопроводной линии передач, в которые последовательно и параллельно включены периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок Создана оригинальная методика синтеза полосковой антены вытекающей волны в виде отрезка несимметричной полосковой линии с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения ширины полоска Используя эту методику синтеза создана и экспериментально исследована полосковая антенна нормального излучения, на основе которой разработан и изготовлен целый ряд секторных антенн с шириной диаграммы направленности 120°, 90°, 60°, 45° и 30° в одной плоскости и 5° - 15° в другой с центральной рабочей частотой от 1 ГГц до 12 ГГц

7 Исследована возможность создания на базе модулированных двухпроводных и полосковых линий линейных антенн с круговой ДН в поперечной плоскости, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена такая возможность за счет периодического изменения либо систем реактивных нагрузок, включенных в провода линии, либо периодического изменения диаметров проводов (ширины полоска) линии Причем закон периодического изменения в одном проводе (полос-

ке) сдвинут на половину периода закона периодического изменения в другом проводе (полоске) Принципы построения излучающей модулированной двухпроводной линии с изменяющимися диаметрами проводов (ширины полоска) были использованы при создании антенн базовых станций с центральной рабочей частотой от 140 МГц до 12 ГГц и коэффициентом усиления от 8 до 16 дБ

8 За счет введения в гармоники тока медленноменяющихся функций решена задача обеспечения требуемого для повышения эффективности функционирования АР амплитудно-фазового распределения тока вдоль излучающего элемента решетки Установлено, что для этого достаточно изменять волновое сопротивление полоскового излучателя по соответствующему квазипериодическому закону

9 На базе модулированных полосковых линий с использованием теории рядов Фурье предложена методика расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы

10 Предложены основные принципы технической реализации плоских антенных решеток излучателей в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением (переменной шириной полоска)

Экспериментальные измерения практически совпали с расчетными, что позволило создать ряд новых высокоэффективных, технологичных, с низкой себестоимостью плоских антенн для различных радиосистем передачи информации, работающих в диапазонах частот от 1 ГГц до 80 ГГц с коэффициентом усиления до 40 дБ Осуществлен оптимальный выбор возбуждающего устройства плоских антенн

11 В диссертации теоретически обосновано и экспериментально подтверждено то, что периодическое изменение (модулирование) конструктивных параметров линии лестничного типа позволило на практике создать широкий класс оригинальных антенн Основные типы таких антенн различного назначения и их характеристики представлены в Приложении.

В Приложении представлены описания, разработанных в ОАО "ЦКБ-связь" по результатам диссертационной работы, антенн различных радиосистем и их основные электрические характеристики ( более 35 модификаций)

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1 Двуреченский В Д, Терешин О Н, Федотов А Ю Методы импеданс-ного синтеза антенных устройств Монография - М АБ РФ, 1995 - 149 с

2 Терешин О Н , Двуреченский В Д, Федотов А Ю Однопроводная антенна бегущей волны с реактивными нагрузками // Электросвязь - 1984 -№6 -С 34-37

3 Вибраторная антенна бегущей волны / ОН Терешин, АН Ювко, ВД Двуреченский, А Ю Федотов//Электросвязь- 1985 -№ 8 -С 42-45

4 Терешин О Н , Двуреченский В Д, Федотов А Ю , Рамочная антенна бегущей волны с линией питания "лестничного" типа // Электросвязь -1988 - № 1 -С 40-43

5 Терешин О Н , Двуреченский В Д, Федотов А Ю Синтез антенны на базе линии "лестничного"типа//Электросвязь - 1989 -№10 -С 42-44

6 Излучающая полосковая линия с изменяющимся волновым сопротивлением /ОН Терешин, А Н Антипов, В Д Двуреченский, А10 Федотов //Электросвязь -1992 -№11 -С 38-40

7 Двуреченский В Д, Винницкий 3 Л , Федотов А Ю Синтез линий лестничного типа// Антенны -2001 - № 1 - С 36-40

8 Федотов А Ю Однопроводная антенна с изменяющимся диаметром провода//Антенны -2005 -№3 -С 16-19

9 Федотов А Ю Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением // Антенны — 2005 - № 7-8 - С 28-31

10 Федотов А Ю Полосковая антенна//Электросвязь -2005 -№9-С. 46-47

11 Федотов А Ю Коллинеарная антенна // Антенны - 2006 - № 2 -С 32-35

12 Двуреченский В Д, Федотов А Ю Излучающая модулированная периодически нагруженная двухпроводная линия // Антенны - 2006 -№4-С 3-6

13 Ac 141710 (СССР) / ОН Терешин, АН Ювко, АЮ Федотов, В Д Двуреченский - Зарег в ГР 01 04 80.

14 Ас 182238 (СССР) / ОН Терешин, АН Ювко, В Д Двуреченский, М В Туркин, А10 Федотов - Зарег в ГР 07 12 82

15 Ас 234713 (СССР) / ОН Терешин,МВ, Туркин, АЮ Федотов -Заявл 26 04 83, Зарег в ГР 03 03 86

16 Ас 1423965 (СССР) Измеритель реактивного сопротивления СВЧ /ОН Терешин, В А Конский, В И Корнюхин, А Ю Федотов //Б И -1988 -№34

17 Ас 1499680 (СССР) Полосковая антена / ОН Терешин, Ю Б Зубарев, И В Мягков, А Ю Федотов - Зарег в ГР 08 04 89

18 Ас 1570600 (СССР) Полосковая антенна/ОН Терешин, Ю Б Зубарев, И В Мягков, А Ю Федотов, А М Кижнер - Зарег в ГР 08 02 90

19 Ас 1723963 (СССР) Полосковая антенна / АЮ Федотов, ОН Терешин, АН Антипов - Зарег в ГР 01 12 91

20 Ас 1631633 (СССР) Волноводно-полосковый переход / А Ю Федотов, ОН Терешин, JI С Зингерман //-1991 - № 8

21 А с 1730697 (СССР) Полосковая антенна / АЮ Федотов, ОН Терешин, 3JI Винницкий //Б И -1992 -№ 16

22 Пат 5526004 (США) Flat striphne antenna / Плоская полосковая антенна /АН Антипов, 3 JI Винницкий, А Ю Федотов и др // И С М -1996 - № 4, вып 106

23 Пат 2157030 (Россия) Зигзагообразная антенна с рефлектором 3 JI Винниций, В Д Двуреченский, В П Степанов, А Ю Федотов //Б И -2000 -№27

24 Пат 2169972 (Россия)/Антенна с эллиптической поляризацией/ В Д Двуреченский, П А Аристархов, 3 JI Винницкий, А Ю Федотов //Б И -2001 - № 18

25 Пат 217761 (Россия) Антенна с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости / В Д Двуреченский, ЗЛ Винницкий, А Ю Федотов //Б И -2001 -№36

26 Пат 2207673 (Россия) Слабонаправленная широкополосная антенна / 3 Л Винницкий, В Д Двуреченский, А Ю Федотов

//Б И -2003 - № 18

27 Пат 2208879 (Россия) Полосковая антенна / В Д Двуреченский, 3 Л Винницкий, А Ю Федотов // Б И - 2003 - № 20

Отпечатано в типографии ООО 'Документ Сервис ФДС" Объём 1 1 п л Тираж 100 экз Подписано в печать 07 11 2006 г Заказ № 255

Введение.

Глава 1. Теоретические основы синтеза линий лестничного типа.

1.1. Теоретическое описание линии лестничного типа.

1.2. Регулярная линия лестничного типа.

1.3. Двухпроводная линия с периодической системой нагрузок в проводах.

1.4. Общие решения телеграфных уравнений.

1.5. Выводы по главе 1.

Глава 2. Синтез излучающих линий лестничного типа бегущей волны

2.1. Вибраторная антенна бегущей волны с линией питания лестничного типа.

2.2. Рамочная антенна бегущей волны с линией питания лестничного типа.

2.3. Излучающая линия лестничного типа на базе двухпроводной линии.

2.4. Излучающая линия лестничного типа на базе несимметричной полосковой линии.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Синтез модулированных излучающих линий лестничного типа.

3.1. Характеристики направленности излучающих модулированных линий лестничного типа.

3.2. Излучающая полосковая линия с модулированной фазой тока.

3.3. Излучающая полосковая линия с амплитудной модуляцией тока.

3.4. Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением.

3.5. Однопроводная антенна с изменяющимся диаметром провода.

3.6. Излучающая модулированная периодически нагруженная двухпроводная линия.

3.7. Излучающая модулированная двухпроводная линия с изменяющимися диаметрами проводов.

3.8. Выводы по главе 3.

4. Антенные решетки излучающих отрезков модулированных полосковых лестничных линий и возбуждающие их устройства.

4.1. Метод расчета линейных антенных решеток полосковых излучателей.

4.2. Выбор амплитудного распределения излучающего элемента.

4.3. Возбуждающие устройства плоских антенных решеток.

4.4. Схемы построения антенных решеток.

4.5. Выводы по главе 4.

Руководством Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации (бывшее Министерство связи РФ) неоднократно отмечалась важность создания современных средств связи, таких как: сотовых наземных систем подвижной связи, локального бескабельного телевидения MMDS, INTERNET, систем спутникового телевидения, спутниковых радио систем связи и ряда других.

К настоящему времени разработано ряд программ и проектов по модернизации и развитию радиосредств, например, «Программа развития систем спутниковой связи и вещания Российской Федерации на 1992 - 2000 г. «Россия», Федеральная программа «Электронная Россия (2002-2010) годы».

Создание новых радиосистем передачи информации во многом определяется конструктивными параметрами, электрическими характеристиками антенн (таких как: всенаправленные в азимутальной плоскости антенны; секторные антенны, имеющие ширину диаграммы направленности (ДН), равную заданному угловому сектору обслуживания; остронаправленные антенны), их себестоимостью изготовления, удобством эксплуатации и дизайном.

Сейчас в качестве таких антенн используются, как правило, вибраторные или щелевые излучатели, фазированные антенные решетки (ФАР), диэлектрические антенны, зеркальные и линзовые антенны [ 1 ]. В ряде случаев эти антенны по методам расчета и тактико-техническим характеристикам не удовлетворяют в достаточной степени требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам.

В связи с этим можно утверждать, что создание оригинальных антенных устройств, развитие новых теоретических методов описания их работы и совершенствование технологии изготовления является актуальной научно-технической задачей.

Анализу работы антенных устройств, например ФАР, как электродинамических системам, наибольшее применение находят методы численного решения интегро-дифференциальных уравнений [2 -12].

Другим направлением теории антенных устройств является решение задач синтеза: нахождение по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве практически реализуемых по конфигурации проводников и диэлектриков, образующих антенно-фидерное устройство [13,14, 15,16]. закона изменения диэлектрической и магнитной проницаемости [17], распределение поверхностного импеданса вдоль антенно-фидерного устройства [16] и т.п.

Так как возможность изменения формы антенны и электрических параметров материалов, из которых она изготовлена, значительно ограничена условиями их эксплуатации, то особый интерес представляет задача нахождения распределения импеданса на поверхности антенно-фидерного устройства по заданному распределению электромагнитного поля в пространстве при фиксированной геометрии.

Обширный обзор научных работ, посвященный структурам с поверхностным импедансом, был сделан М.А. Миллером и В.И. Талановым [18], которые акцентировали внимание на то, что импедансные соотношения между компонентами электромагнитного поля являются простейшими из числа обеспечивающих единственность решения задачи, позволяющие получить легко интерпретируемые результаты даже для сложных электромагнитных структур, а следовательно, и анализировать эти структуры с общих позиций.

Численные решения задач синтеза импедансных структур, как правило, приводит к необходимости исследовать плохо обусловленные системы линейных алгебраических уравнений большого порядка, решение которых по-прежнему составляет одну из центральных проблем численных методов в электродинамике.

Одним из направлений решения задач синтеза импедансных структур в аналитическом виде являются методы решения, основанные на усредненных граничных условиях, которые справедливы для определенного класса импедансных структур.

Эффективность использования усредненных граничных условий при исследовании электромагнитных свойств различных проволочных сеток, рассматривая их как импедансные структуры, показана в работах Конторовича М.И., Вайнштейна Л.А. и СивоваА.Н. [19,20,21]. В работах ТерешинаО.Н. и Двуреченского В. Д. [22 -г 36] исследован ряд оригинальных антенных устройств с использованием усредненных импедансных граничных условий для структур в виде ограниченного числа тонких проводников, в которые периодически включены сосредоточенные реактивные нагрузки, двумерно периодических проволочных и щелевых структур в виде проволочных и щелевых сеток, в провода и щели которых включены реактивные сосредоточенные нагрузки.

Одним из продуктивных направлений создания новых антенно-фидерных устройств является рассмотрение электродинамических структур, которые можно представить в виде отрезка эквивалентной двухпроводной линии, содержащей периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок с переменным импедансом (лестничные линии). Для описания работы таких устройств, как правило, используются неоднородные телеграфные уравнения. Представляется перспективным применить неоднородные телеграфные уравнения при синтезе излучающих отрезков лестничных линий.

Цель работы - создание эффективных и высокотехнологичных антенн на основе линий лестничного типа для радиосистем передачи информации, таких как системы стационарной и подвижной радиосвязи, радиорелейной связи, спутникового телевидения, передачи данных и др.

Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи:

- теоретически обосновать и разработать алгоритмы синтеза излучающих систем лестничного типа, основанные на решениях обобщенных телеграфных уравнений;

- теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность создания эффективных излучающих систем на основе нерегулярных проводных и полосковых линий передач;

- разработать методики синтеза антенн, включая плоские антенны, с заданными характеристиками излучения;

- оценить эффективность разработанных методик, апробировав их при создании оригинальных антенн для радиосистем передач информации в широком диапазоне частот.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем основной части диссертации содержит 271 страницу, из которых 158 страниц текста, 113 страниц иллюстраций.

Основные результаты, выполненных в диссертации исследований, заключается в следующем:

1. Теоретически исследованы излучающие устройства, которые можно пред ставить в виде линий лестничного типа - двухпроводной линии, в которук включены параллельно и последовательно периодические системы сосредоточенных нагрузок. Использовав уравнения Максвелла в интегральной форме получены обобщенные телеграфные дифференциальные уравнения, описывающие достаточно точно электродинамические процессы в линиях лестничного типа при условии распространения в них бегущих волн тока (напряжения).

2. Теоретически определены условия разрешимости обобщенных телеграфных уравнений в квадратурах. Найдены общие решения уравнений относительно неизвестных сосредоточенных реактивных нагрузок при выполнении этих условий для различных форм задания требуемого для практической реализацш тока (напряжения).

3. Разработаны теоретические основы синтеза вибраторной и рамочной антенн бегущей волны с линией питания лестничного типа, позволившие связать импеданс реактивных нагрузок с конструктивными параметрами, характеристиками диаграммы направленности антенн и оценить их электрические характеристики (входное сопротивление, коэффициент полезного действия и др.).

4. Для однопроводной лестничной структуры в виде расположенного над плоским экраном провода, в который на одинаковом расстоянии друг от другг включены сосредоточенные нагрузки, путем решения граничной электродинамической задачи установлена связь импеданса нагрузок с конструктивными параметрами лестничной структуры при распространении в ней ускоренно? волны тока. Результаты сравнительных вычислений показали, что описывающие эту же связь выражения, которые следуют из решений обобщенных телеграфных уравнений, дают практически идентичные значения, что подтвер ждает правомочность использования телеграфных уравнений для исследованш излучающих лестничных структур.

5. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможност! (при периодическом изменении импедансов сосредоточенных нагрузок существования в линии лестничного типа модулированного по амплитуде или (и) фазе тока, который можно представить в виде суммы трех бегущих волн. Одна из этих волн, при определенных параметрах модуляции, может быть ускоренной (вытекающей волной), обуславливающей электромагнитное злуче-ние в заданном направлении.

6. Разработаны теоретические основы синтеза излучающих модулированных лестничных структур, построенных на основе двухпроводной и однопроводной линии передач, в которые последовательно и параллельно включены периодические системы сосредоточенных реактивных нагрузок. Создан оригинальный метод синтеза полосковых антенн вытекающей волны в виде отрезка несимметричной полосковой линии с периодическим изменением волнового сопротивления за счет соответствующего изменения ширины полоска. Используя этот метод синтеза создана и экспериментально исследована полосковая антенна нормального излучения, на основе которой разработан и изготовлен целый ряд секторных антенн с шириной диаграммы направленности 120°, 90°, 60°, 45° и 30° в одной плоскости и 5° 15° в другой с центральной рабочей частотой от 1 ГГц до 12 ГГц.

7. Исследована возможность создания на базе модулированных двухпроводных и полосковых линий линейных антенн с круговой ДН в поперечной плоскости, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена такая возможность за счет периодического изменения либо систем реактивных нагрузок, включенных в провода линии, либо периодического изменения диа метров проводов (ширины полоска) линии. Причем закон периодического изменения в одном проводе (полоске) сдвинут на половину периода законг периодического изменения в другом проводе (полоске). Принципы построения излучающей модулированной двухпроводной линии с изменяющимися диаметрами проводов (ширины полоска) были использованы при создании антенн базовых станций с центральной рабочей частотой от 140 МГц до 12 ГГц и коэффициентом усиления от 8 до 16 дБ.

8. За счет введения в гармоники тока медленноменяющихся функций решена задача обеспечения требуемого для повышения эффективности функционирования АР амплитудно-фазового распределения тока вдоль излучающего элемента решетки. Установлено, что для этого достаточно изменять волновое сопротивление полоскового излучателя по соответствующему квазипериодическому закону.

9. На базе модулированных полосковых линий с использованием теории рядов Фурье предложен метод расчета линейных полосковых антенных решеток в виде расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга полосковых излучателей различной формы.

10. Предложены основные принципы технической реализации плоских антенных решеток излучателей в виде отрезков несимметричных полосковых линий с переменным волновым сопротивлением (переменной шириной полоска).

Экспериментальные измерения практически совпали с расчетными, что позволило создать~ряд новых высокоэффективных, технологичных, с низкой себестоимостью плоских антенн для различных радиосистем передачи информации, работающих в диапазонах частот от 1 ГГц до 80 ГГц с коэффициентом усиления до 40 дБ. Осуществлен оптимальный выбор возбуждающего устройства плоских антенн.

11. В диссертации теоретически обосновано и экспериментально подтверждено то, что периодическое изменение (модулирование) конструктивных параметров линии лестничного типа позволило на практике создать широкий класс оригинальных антенн. Основные типы таких антенн различного назначения и их характеристики представлены в Приложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны.- М.: Энергия, 1975. 528 с.

2. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митры. Пер. с англ. / Под ред. Э.Л. Бурштейна. М.: Мир, 1977. - 487 с.

3. БузовА.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. М.: Радио и связь, 1997. - 293 с.

4. Преобразование интегрального уравнения Поклингтона к сингулярному интегральному уравнению / Бузов А.Д., Сподобаев Ю.М., Филиппов Д.В., Юдин В.В. // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ.- 1999.- т.7, №1.- С.59-63.

5. Численный электродинамический анализ произвольных проволочных антенн / Корнилов М.В., Калашников Н.В., Рунов А.В. и др. // Радиотехника. -1989.-№7.-С. 82-83.

6. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбенко и др.; Под ред. Г.З. Айзенберга. 2-е, перераб. и доп.-М.: Радио и связь, 1985. - 536 с.

7. Неганов В.А., Матвеев И.В. Сингулярное интегральное уравнение для расчета тонкого вибратора // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 1999. - Т. 2., №2. - С. 27-33.

8. Радциг Ю.Ю., Сочилин А.В., Эминов С.И. Исследование методом моментов интегральных уравнений вибратора с точными и приближенными ядрами // Радиотехника. 1995. - №3. - С. 55-57.

9. Рунов А.В. О специализации интегрального уравнения тонкой проволочной антенны произвольной геометрии к некоторым частным случаям //Радиотехника и электроника. -1976- Вып. 6. (Минск).- С. 161------------

10. Электродинамические методы анализа проволочных антенн / A.JL Бузов, Ю.М. Сподобаев, Д.В. Филиппов, В.В. Юдин; Под ред. В.В. Юдина. М.: Радио и связь, 2000. - 153 с.

11. Эминов С.И. Теория интегрального уравнения тонкого вибратора // Радиотехника и электроника. Т. 38. 1993. - Вып. 12. - С. 2160-2168.

12. Юдин В.В. Анализ проволочных антенн на основе интегрального уравнения Харрингтона методом моментов с использованием различгных весовых функций / Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. Т. 4. - №4. - С. 116-124.

13. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. -М.: Сов. Радио, 1980. — 296 с.

14. Минкович Б.М., Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. М., «Сов. радио». 1969.

15. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета). М., «Сов. радио», 1974, 232 с.

16. Терешин О.Н., Седов В.М., Чаплин А.Ф. Синтез антенн на замедляющих структурах. М.: Связь, 1980. - 136 с.

17. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности / С.М. Авдеев, Н.А. Бей, А.Н. Морозов; Под ред. Н.А. Бея М.: Радио и связь, 1987.- 128 с.

18. Миллер М.А., Таланов В.И. Использование понятия поверхностного импеданса в теории поверхностных электромагнитных волн//Радио-физика. 1961. Т. 4: -№2. - С. 795-830.

19. Войтович Н.Н., Канценеленбаум Б.З., Коршуков Е.И. и др. Электродинамика антенн с полупрозрачными поверхностями: Методы конструктивного синтеза / Под ред. Канценеленбаум Б.З. и Сивова А.Н. М.: Наука, 1989.

20. Конторевич М.И., Астрахан М.И., Акимов В.П., Ферсман Г.А. Электродинамика сетчатых структур. M.Y Радио и связь, 1987 - 136 с.

21. Нефедов Е.И., Сивов А.Н. Электродинамика периодических структур. -М.: Наука. 1977-209 с.

22. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Туркин М.В. Методика расчета коаксиальной антенны вытекающей волны // Вопросы радиоэлектроники. Сер. -Общие вопросы радиоэлектроники. 1984. - Вып. 1 - С. 49-55.

23. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Туркин М.В. Методика расчета многопроводных антенн вытекающей волны // Вопросы радиоэлектроники. Сер. -Общие вопросы радиоэлектроники -1985 Вып. 1, С. 31-38.

24. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Мишин В.И., Светайло В.А., Савин А.В. Комбинированные однолинейные проволочные сетки. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1985, вып. 12-с. 39-44.

25. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Мишин В.И., Кусков А.С. Граничные условия для импедансных структур в виде реактивно нагруженных отрезков ленточных линий. Радиотехника 1986. №7 - с. 89-91.

26. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д. Уточненные импедансные граничные условия на полупрозрачной периодически нагруженной структуре. Радиотехника. 1987.-9-с. 55-57.

27. Двуреченский В.Д., Анисимов Е.К. Коаксиальная антенна вытекающей волны. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. -1987. Вып. 11-е. 24-28.

28. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Кусков А.С. Возбуждающее устройство линии поверхностной волныГРадиотехника. 1988-~№ l-c.56-58.

29. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д. Граничные условия на периодической решетке из нагруженных симметричных вибраторов. Радиотехника. 1988-№9-с. 52-55.

30. Двуреченский В.Д., Кусков А.С. Синтез электродинамических систем на основе двухпроводной линии с нагрузкой. Радиотехника. 1991. - №6-с. 64-67.

31. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д. Граничные условия для двухслойной двумерно-периодической структуры. Радиотехника. 1991. - №6 - с. 62-64.

32. Двуреченский В.Д., Аристархов П.А. Способ уменьшения высоты подвеса плоских антенн над металлическим экраном. Вопросы радиоэлектроники. -1992. Вып. 1-е. 78-82.

33. Двуреченский В.Д. Граничные условия для густых решеток периодически нагруженных прямолинейных проводников. Электросвязь. 1992 №2.

34. Двуреченский В.Д. Периодически нагруженная полупрозрачная щелевая структура. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1989 - вып. 13, с. 29-33.

35. Двуреченский В.Д., Аристархов П.А. Вибраторная антенна низкоподве-шенная над металлическим экраном. Электросвязь. 1993. №4 - с. 22-23.

36. Двуреченский В.Д., Терешин О.Н., Федотов А.Ю. Методы импедансного синтеза антенных устройств. Монография. М.: АБ РФ, 1995. - 149 с.

37. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Однопроводная антенна бегущей волны с реактивными нагрузками//Электросвязь.-1984.-№ 6. -С. 34-37.

38. Терешин О.Н., Ювко А.Н., Двуреченский В.Д., Бабовников В.И., Федотов А.Ю. Вибраторная антенна бегущей волны // Электросвязь. 1985. -№8.-С. 42-45.

39. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Рамочная антенна бегущейволны слиниейпитания<<лестничного Э л ектросвязьГ- 1988 Г-№1. С. 40-43.

40. Терешин О.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Синтез антенны на базе линии «лестничного» типа // Электросвязь. 1989. - №10. - С. 42-44.

41. Терешин О.Н., Антипов А.Н., Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Излучающая полосковая линия с изменяющимся волновым сопротивлением // Электросвязь. 1992. - №11.- С. - 38-40.

42. Двуреченский В.Д., Винницкий 3.JL, Федотов А.Ю. Синтез линий лестничного типа // Антенны. 2001. - №1.- С. 36-40.

43. Федотов А.Ю. Однопроводная антенна с изменяющимся диаметром провода // Антенны. 2005. - №3. - С. 16-19.

44. Федотов А.Ю. Излучающая полосковая линия с модулированным волновым сопротивлением // Антенны. 2005. - №7-8.- С. 28-31.

45. Федотов А.Ю. Полосковая антенна // Электросвязь 2005. - №9.-С. 46-47.

46. Федотов А.Ю. Коллинеарная антенна // Антенны. 2006. - № 2.-С. 32-35.

47. Двуреченский В.Д., Федотов А.Ю. Излучающая модулированная периодически нагруженная двухпроводная линия // Антенны. 2006. - № 4. -С. 3-6.

48. А.с. 141710 (СССР). / О.Н. Терешин, А.Н. Ювко, А.Ю.Федотов, В.Д. Двуреченский -Зарег. В ГР 01.04.80.

49. А.с. 182238 (СССР). / О.Н. Терешин, А.Н. Ювко, В.Д. Двуреченский, М.В. Туркин, А.Ю. Федотов Зарег. в ГР 07.12.82.

50. А.с. 234713 (СССР). / О.Н. Терешин, М.В. Туркин, А.Ю. Федотов Зарег. в ГР 03.03.86.

51. А.с. 1423965 (СССР). Измеритель реактивного сопротивления СВЧ

52. О.Н. Терешин, В.А. Конский, В.И. Корнюхин, А.Ю. Федотов. //Б.И. 1988. - №34.

53. А.с. 1499680 (СССР). Полосковая антенна / О.Н. Терешин, Ю.Б. Зубарев, И.В. Мягков, А.Ю. Федотов Зарег. в ГР 08.04.89.

54. А.с. 1570600 (СССР) Полосковая антенна /О.Н. Терешин, Ю.Б. Зубарев, И.В. Мягков, А.Ю. Федотов, A.M. Кижнер Зарег. в ГР 08.02.90.

55. А.с. 1723963 (СССР) Полосковая антенна /А.Ю. Федотов, О.Н. Терешин, А.Н. Антипов Зарег. в ГР 01.12.91.

56. А.с. 1631633 (СССР) Волноводно-полосковый переход / А.Ю. Федотов, О.Н. Терешин, Л.С. Зингерман. // Б.И. 1991. - № 8.

57. А.с. 1730697 (СССР) Полосковая антенна / А.Ю. Федотов, О.Н. Терешин, З.Л. Винницкий. // Б.И. 1992. - № 16.

58. Пат. 5526004 (США). Flat stripline antenna / Плоская полосковая антенна /

59. A.Н. Антипов, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов и др. // И.С.М. 1996. - № 4, вып. 106.

60. Пат. 2157030. / Зигзагообразная антенна с рефлектором / З.Л. Винницкий,

61. B.Д. Двуреченский, В.П. Степанов, А.Ю. Федотов. // Б.И. 2000. - № 27.

62. Пат.2169972./Антенна с эллиптической поляризацией/ В.Д.Двуреченский, П.А. Аристархов, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов. // Б.И. 2001. - № 18.

63. Пат. 217761. / Антенна с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости / В.Д. Двуреченский, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов. //Б.И. -2001. № 36.

64. Пат. 2207673. / Слабонаправленая широкополосная антенна / З.Л. Винницкий, В.Д. Двуреченский, А.Ю. Федотов. // Б.И. 2003. - № 18.

65. Пат. 2208879. /Полосковая антенна / В.Д. Двуреченский, З.Л. Винницкий, А.Ю. Федотов. // Б.И. 2003. - № 20.

66. Маттей Г.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971. - 438 с.

67. Летвиненко О.Н., Сошников В.И. Колебательные системы из отрезков полупроводниковых линий. М.: Сов. Радио, 1971. - 128 с.

68. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными постоянными. М.: Высшая школа, 1980. - 152 с.

69. Силйн Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системь1- М.: Сов. радио,' 1966. -432 с.

70. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1988. - 440 е.: ил. ISBN 5-256-00064-0.

71. Лавров Г.А. Взаимное влияние линейных вибраторных антенн. М., «Связь», 1975.

72. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. М.: Связь. 1977.-ч. 1 -384 с.

73. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. -М.: Связь, 1977.-440 с.

74. Безкакотова Т.Б., Порываев Б.Н. Входная проводимость тонкой круглой рамочной антенны. «Радиотехника и электроника», 1971, т. 16, вып. 9, с. 1712-1715.

75. Уолтер К. Антенны бегущей волны: Пер. с англ. / Под общ. ред. А.Ф. Чаплина. М.: Энергия, 1970. - 448 с.

76. Янке Е., Энде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1977. -344 с.

77. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств /С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др.; Под ред. В.И. Вольмана. -М.: Радио и связь, 1982. 328 е., ил.

78. Справочник по элементам полосковой техники / Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. / Под ред. А.Л. Фельдштейна. М.: Связь, 1979. 336 е., ил.

79. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной связи / А.Л. Бузов, Л.С. Казанский, В.А. Романов, Ю.М. Сподобаев; Под ред. А.Л. Бузова. М.: Радио и связь, 1997. - 150 с.

80. Коваленко Ю.Ф., Нефедов Е.И., Советов В.Н. Микрополосковые антенны СВЧ. Обзор, модели, анализ, синтез. В кн.: Машинное проектирование устройств СВЧ. - Тбилиси, 1979, с. 120-123.

81. Нефедов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи: Электродинамические основы автоматизированного проектирования интегральных схем СВЧ. М.: Наука, 1980. - 256 с.

82. Vailloux R.J., Vcilvenna J.R., Kernweis N.R. Vicrostrip array technology. -IEEE Trans., 1981, v. AP-29, N 1, p. 25-37.

83. Carver K.R., Mink J.W. Microstrip antenna tehnology. IEEE Trans., 1981, v. AP-29, N1, p. 2-24.

84. Ломан В.И., Ильинов М.Д., Гоцуляк А.Ф. Микрополосковые антенны. -Зарубежная радиоэлектроника, 1981, № 10, с. 99-116.

85. Подторжнов О.М., Воробьева З.М. Печатные полосковые антенны. Патенты США, Англии, Франции, ФРГ, Японии. М., 1982. - 54 с.

86. Rakesh Ch., Gupta К.С. Triangular rhombic and hexagonal stripline resonators. AEU, 1982, B. 36, N 3, S. 129-133.

87. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. - 144 е., ил.