автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование и разработка антенно-усилительных комплексов для радиосвязи и радиовещания ВЧ и ОВЧ диапазонов

г

На правах рукописи

Красильников Александр Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНТЕННО-УСИЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОВЕЩАНИЯ ВЧ И ОВЧ ДИАПАЗОНОВ

Специальность 05.12.07 Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1998

Работа выполнена в Самарском отраслевом научно-исследовательском институте Радио (СОНИИР, г. Самара).

Научные руководители:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Лев Серафимович Казанский,

кандидат технических наук, профессор

Виктор Павлович Кубанов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Сергей Викторович Томашевич

кандидат технических наук

Александр Викторович Короленков.

Ведущая организация - Государственный специализированный проектный институт радио и телевидения Госкомсвязи России

Защита состоится « i? » CJ/0MA,_1998 г. в на заседании диссертационного Совета К 118.10.01 Поволжской академии телекоммуникации и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л.Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Поволжской академии телекоммуникации и информатики.

Автореферат разослан « ¿5» USQA- 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Comj^Р —?

доктор технических наук, профессод^^^^^^— ^Ю.Н.Маслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы н состояние вопроса

Улучшение качественных показателей современных радиотехнических систем (повышение дальности связи и вещания, увеличение числа каналов, снижение массогабаритных характеристик аппаратуры связи и т.п.) вызывает необходимость дальнейшего совершенствования теории и техники устройств антенно-фидерного тракта. Качественные показатели системы связи в целом зависят от характеристик ее составных частей: антенно-фидерного тракта и приемо-передающего оборудования. При этом имеется возможность варьирования характеристик составных частей при сохранении показателей системы в целом с учетом конкретных обстоятельств, например, ограничений на размещение антенн, на мощность радиопередатчика и т.п. Такой подход позволит оптимизировать систему связи.

Одним из перспективных направлений в технике антенн является использование принципов интеграции активных элементов и излучателей, например, активные приемные антенны, исследованию которых посвящены работы Б.Г.Цыбаева, Б.С.Романова, М.И.Канторовича. Во многих случаях это позволяет успешно решать вопросы, связанные с уменьшением массогабаритных показателей антенных систем, расширением в несколько раз рабочей полосы частот, улучшением чувствительности приемных систем в пределах всего рабочего диапазона частот.

Как известно, широкополосный усилитель, входящий в состав активной приемной антенны, является дополнительным элементом для нелинейного взаимодействия сосредоточенных помех, продукты которых в конкретной помеховой обстановке могут привести к искажению или потере передаваемой информации. Поэтому для решения вопроса о целесообразности применения активной антенны в заданных конкретных условиях приема желательно иметь единый критерий качества, учитывающий как шумовые, так и нелинейные свойства системы, и позволяющий оценить эффективность использования активной антенны. Для этой цели можно использовать коэффициент помехозащищенности приемного тракта, предложенный Н.М.Ляпуновой. Данная методика оценки помехозащищенности оперирует с коэффициентами степенного полинома, которым аппроксимируется нелинейный элемент. Измерение на практике передаточных характеристик нелинейного элемента (особенно при больших уровнях входного сигнала) достаточно сложная и трудоемкая задача. Кроме этого, данная методика не учитывает нелинейность радиоприемного устройства (РПУ).

Вопросы снижения массогабаритных показателей антенных систем особенно актуальны для ВЧ диапазона. Антенные поля многих типовых антенн этого диапазона весьма значительны по занимаемым площадям Задача максимально эффективного использования антенных

полей является очень актуальной. Решение этой задачи обеспечивается применением активных антенн (АА) ВЧ диапазона и создаваемых на их базе многолучевых фазированных антенных решеток (ФАР), описанных в работах Л.С.Казанского.

Для целей измерения и контроля уровня напряженности поля радиостанций широко используются АА. Основным требованием, предъявляемым к измерительной антенне, является постоянство действующей высоты во всем рабочем диапазоне частот. Известно, что действующая высота активной антенны зависит от размеров вибратора активной антенны и высоты ее расположения над землей. Знание этих зависимостей позволит разрабатывать измерительные антенны с малой погрешностью измерений. Расчет антенных параметров (характеристик направленности, действующей высоты, КНД и т.д.) с помощью методов геометрической оптики с использованием коэффициентов Френеля для учета влияния полупроводящей поверхности в данном случае неприменимо, поскольку высота подвеса активных антенн очень часто бывает соизмерима с размерами вибратора (т.е. Ь<<а)- В работах Г.А. Лаврова, А.С.Князева учет полупроводящей земли рассматривался при синусоидальном распределении тока по вибратору. Такой подход приводит к большим погрешностям результатов вычислений входного сопротивления и, соответственно, уровня полезного сигнала на выходе антенны. Задача нахождения поля произвольно ориентированного элементарного-вибратора, расположенного над полупроводящей поверхностью решена в работах Г.Н.Крылова.

Вопрос о влиянии электрофизических параметров земли на характеристики активных антенн в настоящее время малоизучен.

В настоящее время в сельских районах России быстрыми темпами происходит замена проводного вещания на ОВЧ ЧМ вещание, позволяющего, кроме прямого назначения, использовать его для передачи сигналов в чрезвычайных ситуациях, например, в период стихийных бедствий. В городах отмечается тенденция к увеличению одновременно работающих радиосредств диапазонов 65,9...74 МГц и 100 ... 108 МГц, поэтому весьма актуальным является эффективное использование существующих антенно-мачтовых сооружений и возможность организации новых программ при минимальной дополнительной реконструкции радиоцентра. Одним из путей решения этой проблемы является использование антенно-усилительных комплексов, включающих в себя высокочастотное радиопередающее и антенно-фидерное оборудование. При этом антенна должна работать в нескольких частотных диапазонах. В работах В.В. Овсянникова и Г.А.Вишневской подробно рассматриваются такие антенны, однако во всех частотных диапазонах они имеют одинаковую поляризацию излучения, что во многих случаях запрещено органами Госсвязьнадзора.

В последнее время стремительными темпами развиваются многоканальные системы подвижной связи (СПС) с малым частотным разносом между каналами. Улучшение качественных показателей системы при снижении стоимости может быть достигнуто как применением оптимальных схемотехнических решений (для системы в целом), гак и на основе улучшения показателей отдельных составных частей. Важной составной частью системы является антенный усилитель высокой частоты (АУ), предназначенный для компенсации потерь мощности принимаемого сигнала в фидере и распределения его на требуемое количество каналов. От качественных характеристик АУ (коэффициента шума, динамического диапазона, коэффициента усиления и т.д.) зависят качественные показатели системы в целом.

Таким образом, исследование и расчет характеристик усилительных устройств в совокупности с антеннами и устройствами антен-но-фидерного тракта на единой методологической основе, позволит улучшить качественные показатели радиотехнических систем в целом.

Цель работы - исследование и разработка антенно-усилительных комплексов для радиосвязи и радиовещания и их элементов, позволяющих получить более высокие качественные показатели (меньшая масса и габариты, большая полоса рабочих частот, увеличение дальности связи и вещания и количества каналов) систем радиосвязи и радиовещания ВЧ и ОВЧ диапазонов.

Основные задачи исследований.

1. Исследование характеристики и разработка сверхширокополосных (двадцатикратное перекрытие по частоте) приемных антенно-усилительиых комплексов для ВЧ радиосвязи

2. Исследование и разработка схемы построения антенно-усилительного комплекса для ОВЧ ЧМ радиовещания, обеспечивающей возможность его дальнейшего развития и реализации различных типов организации вещания.

3. Исследование и разработка приемных антенных усилителей для ВЧ и ОВЧ радиосвязи в качестве элементов антенно-усилительного комплекса.

Методы исследований: численные методы параметрической оптимизации, решение внешней электродинамической задачи методом интегрального уравнения, аналитический аппарат теории линейных электрических цепей в терминах волновых матриц рассеяния, методы теории вероятности и теории статистического приема, численные методы статистического моделирования, методы структурной оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследованы частотные зависимости уровня полезного сигнала приемных активных и пассивных вибраторных антенн в зависимости от их размеров, высот подвеса, а также их взаимное влияние в составе фазированных антенных решеток диапазона ВЧ с учетом влияния полупроводящей земли.

2. Разработана новая методика анализа приземных вертикальных активных и пассивных вибраторов и их систем, основанная на применении известного решения электродинамической задачи излучения элементарного вибратора вблизи полупроводящей поверхности в рамках метода моментов.

3. Выполнен расчет вероятности поражения антенно-усилительного комплекса по нелинейным каналам (интермодуляция АА и РПУ, блокирование и перекрестная модуляция АА) по известным значениям динамического диапазона АА и РПУ.

4. Определена степень влияния неидентичности амплитудно- и фазочастотных характеристик активных антенн, а также отказов активных антенн на коэффициент направленного действия (КНД) и характеристики направленности ФАР диапазона ВЧ.

5. Проведен синтез трехдиапазонной двухполяризационной антенны ОВЧ ЧМ вещания.

Практическая ценность.

Разработаны приемные сверхширокополосные антенно-усилительные комплексы для ВЧ радиосвязи, позволяющие уменьшить площади антенных полей и дающие возможность создания быстрораз-ворачиваемых комплексов для заинтересованных ведомств.

Разработана концепция построения многопрограммного комплекса ОВЧ ЧМ вещания. Разработанные на основе этой концепции и внедренные многопрограммные радиовещательные антенно-усилительные комплексы позволяют обеспечить ОВЧ ЧМ вещанием ряд сельских районов различных регионов России.

Разработаны узкополосные приемные антенные усилители для систем специальной подвижной связи, обеспечивающие увеличение дальности связи.

На все предложенные устройства разработана рабочая конструкторская документация.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы на реальных объектах при внедрении сверширокополосных приемных активных антенн и фазированных антенных решеток, при внедрении антенно-фидерных устройств стационарных объектов систем специальной подвижной радиосвязи.

Результаты работы реализованы при создании составных частей маломощного многопрограммного комплекса ОВЧ ЧМ вещания КЧМ-300. Налажен мелкосерийный выпуск этих комплексов.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно - исследовательской части и аспирантов по итогам научных исследований в 1988 г. (г. Москва, МЭИС, 1988 г.), на тематическом заседании-семинаре «Автоматизированная аппаратура для ДКМ радиосвязи НТО ЮС им. А.С.Попова (Москва, 1986 г.), на всесоюзной школе молодых ученых НТО РЭС им. А.С.Попова (Куйбышев, 1988 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава, посвященной 100-летию радио (Самара, ПИИРС, 1995г.), на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава, посвященной 40-летию ПИИРС (Самара, 1996г.), на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава. (Самара, ПГАТИ, 1998 г.)

Основные результаты работы опубликованы в 7-ми параграфах трех монографий; 5 научных статьях, 3 тезисах докладов на научных конференциях.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и четырех приложений. Основная часть работы содержит 129 с. машинописного текста, 80 рисунков, 9 таблиц, библиографию из 131 наименования на 12 е., приложения на 24-х страницах.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования частотных зависимостей уровня полезного сигнала приемных активных и пассивных вибраторных антенн в зависимости от их размеров, высот подвеса, а также исследование их взаимного влияния в составе фазированных антенных решеток диапазона ВЧ.

2. Методика электродинамического анализа приземных активных вертикальных вибраторов и их систем с учетом влияния реальной полупроводящей земли.

3. Результаты исследования вероятности поражения приемного антенно-усилительного комплекса по нелинейным каналам (интермодуляция АА и РПУ, блокирование и перекрестная модуляция АА).

4. Результаты исследования влияния неидентичности амплитудно- и фазочастотных характеристик приемных активных антенн, а так-

же отказов активных антенн на характеристики направленности фазированной антенной решетки в составе сверхширокополосного антенно-усилительного комплекса для радиосвязи в диапазоне ВЧ.

5. Алгоритм и результаты синтеза, а также полученное на этой основе новое техническое решение для трехдиапазонной двухполяриза-ционной антенны ОВЧ ЧМ вещания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновывается актуальность темы, дан обзор состояния вопроса, сформулированы цель и основные задачи исследования, описаны состав и структура работы, показаны ее научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе на основе методов электродинамического анализа разработаны методики исследований активных антенн с учетом реальных параметров земли, в том числе и в составе антенно-усилительного комплекса. Исследованы частотные свойства различных типов активных антенн в зависимости от их размеров и высоты подвеса.

Приемная фазированная антенная решетка (ФАР) диапазона ВЧ представляет собой систему из М активных антенн, размещенных в плане равномерно по окружности и установленных на некоторой электрически малой высоте над землей. Активная антенна представляет собой вертикальный симметричный или несимметричный вибратор, конструктивно объединенный с высокочастотным усилителем, ко входу которого он подключен. АА посредством фидеров одинаковой длины подключены к фазирующему устройству (ФУ), выполненному на основе ЬС-сетки, имеющей несколько выходов для подключения приемных трактов.

Показано, что применительно к данному случаю задача определения характеристик АА сводится к двум внешним электродинамическим задачам.

В рамках первой задачи рассматривается одиночный вертикальный вибратор, расположенный вблизи реальной земли и возбуждаемый либо полем волны, приходящей с направления под некоторым углом к горизонту, либо сторонним источником ЭДС, включенным между выходными клеммами. При возбуждении вибратора полем падающей волны исследуется его эффективность как приемной антенны в зависимости от размеров и высоты подвеса. Режим возбуждения сторонним источником ЭДС позволяет рассчитать характеристику направленности АА. При исследовании активной антенны соответствующий вибратор нагружается на входной импеданс усилителя, при исследовании

пассивных антенн - на активное сопротивление, равное волновому сопротивлению фидера.

В рамках второй задачи рассматривается пара вертикальных вибраторов вблизи реальной земли, один из которых нагружен, а второй возбуждается сторонним источником ЭДС, включенным между выходными клеммами. Эта задача позволяет исследовать свойства развязки между соседними излучающими элементами ФАР в зависимости от размеров, высоты подвеса и взаимного расположения.

Для нахождения функции распределения тока (токовая функция) вдоль вибраторов в рамках электродинамической задачи использован метод интегрального уравнения (ИУ), имеющего смысл граничного условия для электрического поля на поверхности металла. При этом токовая функция определялась в виде разложения по системе кусочно-синусоидальных базисных функций (отличных от нуля в пределах электрически коротких отрезков - сегментов), а для решения ИУ использовался известный метод сшивания в точках в приближении тонкого провода. Как известно, в рамках данного метода коэффициенты системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к которой сводится ИУ, имеют смысл тангенциального электрического поля, создаваемого в точках сшивания токами сегментов, описываемыми базисными функциями с единичными коэффициентами. Это поле в данном случае необходимо вычислять с учетом влияния реальной земли.

Основная идея разработанной методики основана на известном факте: поле антенны (в данном случае сегмента) у поверхности земли есть суперпозиция поля этой же антенны, излучающей в свободном пространстве, и поля рассеяния, вызванного перераспределением заряда и появлением тока проводимости в земле, причем вторая составляющая может рассматриваться как поле некоторого источника, пространственное положение которого соответствует зеркальному изображению антенны. В рамках методики первая составляющая поля вычисляется посредством известных строгих замкнутых выражений для поля синусоидального тока, излучающего в свободном пространстве, вторая - по известным формулам для поля элементарного вибратора РВ) у границы раздела сред. Такой подход позволил преодолеть трудность, связанную с тем, что при решении ИУ поля приходится находить, в том числе, в непосредственной близости от сегмента (элементы матрицы коэффициентов СЛАУ, близкие к главной диагонали), где последний не может рассматриваться как ЭВ.

Показано, что вторая составляющая поля в свою очередь может быть представлена суперпозицией поля зеркального изображения сегмента при идеально проводящем экране и некоторой добавки, учитывающей реальные электрофизические свойства земли.

На этой основе известные формулы для поля ЭВ у границы раздела модифицированы путем выделения составляющих, соответствую-

щих излучению в свободном пространстве и при наличии идеально проводящего экрана. В результате получена следующая формула для расчета коэффициентов СЛАУ:

Клк= -^30 [япфЬс)]-1 х

х [0(1*0 + вОЮ + 0(1*2) + 0(112') - 2соБ(рЬс){0(ад + С(Кя')}] -- ^20 [1 - совфЬс)] ОМпфЬ)]-1 х

х 0(11о') [6{1+](рЯо')-1}со8 0 - {1-1(5)} - 252 1(5)], (1)

где 0(Я)=ехр(-]рК)/К - функция Грина;

Р=2л/а - волновое число ("К - длина волны); Я1, Яо, 1*2 - расстояния от начала, средней точки и конца к-го сегмента до ьй точки сшивания;

ЯГ, Но', 1*2' - аналогичные расстояния для зеркального изображения к-го сегмента;

и - длина плеча сегмента (половина полной длины); 5 и 1(5), - параметры, характеризующие свойства реальной земли (рассчитываются известными методами);

0 - угол между вертикальной осыо и направлением от зеркального изображения сегмента на точку сшивания.

Для решения СЛАУ в рамках предложенной методики использован метод оптимального исключения. Найденное решение - коэффициенты при базисных функциях - совместно с последними восстанавливают комплексную функцию, аппроксимирующую истинное распределение тока.

В качестве меры эффективности вибратора как приемной антенны рассматривается напряжение в его нагрузке при возбуждении падающей волной, в качестве меры развязки между соседними вибраторами в составе ФАР - рабочее ослабление эквивалентного четырехполюсника, образованного этими вибраторами.

Получена формула для вычисления характеристики направленности вибратора (активной антенны) в вертикальной плоскости:

n

Рла(0) = {тах |Раа(0)|}-!]Г Ь { ехр[]'р(ГкДи)] + ехрОР(г'кДю)]}8т0 -

к=1

- 2 1кехр[]Р(г'к,1из)] [5 сое© (1+5-^08©)-'(1+5со80] -

- 2 Ь ехрОР(гк,1нз)] 81П © - (1 +5-1оо80)-Ч ,

где N - число сегментов;

1к - ток к-го сегмента (коэффициент при k-й базисной функции);

Гк и г'к - радиус-векторы средних точек k-го сегмента и его зеркального изображения, соответственно;

1.п - единичный вектор - орт направления излучения;

© - угол между вертикальной осью и направлением излучения.

Формула (2) получена на основе известных формул для расчета поля ЭВ вблизи границы раздела (на большом расстоянии все сегменты могут рассматриваться как ЭВ), путем выполнения предельного перехода при удалении точки наблюдения в бесконечность. Начало координат при вычислениях по формуле (2) предполагается на оси вибратора.

Как показали расчеты, уровень развязки между активными антеннами в составе ФАР достаточно велик, так что можно не учитывать влияние их взаимодействия на направленные свойства ФАР. Это позволило характеристику направленности ФАР Fo..\p(0,rp) рассчитывать как суперпозицию характеристик направленности активных антенн, определенных с учетом пространственного положения последних. Получена соответствующая формула:

м

Ftj>Ap(©,<p)= {max|Faa(©)¡}"' Ipxra Faa(©) ехрОрЯфдр sin© cos(cp-cpm)] , (3)

m=l

где M - число активных антенн (вибраторов) в составе ФАР;

IBXm - входной ток (комплексная амплитуда) m-го вибратора, который имел бы место, если вместо приемников к ФУ были подключены передатчики;

R-фар - радиус ФАР, м, проведенный по осям вибраторов;

фт = 2ят/М - азимут m-го вибратора.

Начало координат при вычислениях по формуле (3) предполагается на поверхности земли в центре ФАР.

Показано, что уровень выходного сигнала практически реализуемых активных антенн в пределах всего ВЧ диапазона примерно на порядок превосходит уровень сигнала пассивных вибраторов при меньшем (3-5 раз) размере активных антенн. Показана возможность получения для симметричной активной антенны с длиной плеча не более 2 м и высотой его подвеса не более 5 м высокой степени равномерности частотной характеристики полезного выходного сигнала во всем ВЧ диапазоне.

Установлено, что уровень развязки между практически реализуемыми активными антеннами в пределах всего декаметрового диапа-

зона на 20 дБ превосходит уровень развязки между пассивными антеннами при тех же размерах антенн и расстояниях между ними.

Выполнен расчет вероятности поражения приемных трактов с активными и пассивными антеннами для приема непрерывных сообщений. Вероятность поражения приема помехами определялась как вероятность попадания помехи в полосу пропускания Дf фильтра основной селекции (ФОС) радиоприемника и превышение некоторого допустимого порога и0 хотя бы одной помехи, вызванной нелинейностью усилителя АА или радиоприемного устройства:

4

Гы-П(1-Р0 (4)

¡=1

где Р; - вероятность поражения по каналам нелинейной природы (индекс 1 соответствует всем учитываемым каналам поражения: и, п, б, ип, где «-интермодуляция АА, «-перекрестная модуляция АА, б-блокирование АА, ш-интер модуляция РПУ).

При этом для определения порогового уровня использовались следующие характеристики устройств приемного тракта: динамический диапазон по взаимной модуляции активной антенны и РПУ, уровень шумов активной антенны и чувствительность РПУ.

Исследована вероятность поражения приемных трактов с активными и пассивными антеннами и ФАР с активными антеннами. Приведены сравнительные вероятности поражения, показывающие лучшую помехозащищенность ФАР с активными антеннами по сравнению с пассивными антеннами.

Исследовано влияние неидентичности амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик приемных активных антенн на характеристику направленности ФАР из 32 активных антенн. Показано, что при разбросе амплитуд и фаз полезного сигнала соответственно на +_20 % и +_10°, вызванных неидентичностью АЧХ и ФЧХ активных антенн, происходит незначительное увеличение уровня боковых лепестков и ухудшение КНД. При отказе до двадцати активных антенн, кольцевая фазированная антенная решетка сохраняет работоспособность.

Второй раздел посвящен разработке антенно-усилительных комплексов ОВЧ ЧМ вещания.

Разработана концепция построения многодиапазонного антен-но-усилительного комплекса ОВЧ ЧМ радиовещания, позволяющая эффективно использовать существующие антенно-мачтовые сооружения и организовать новые программы при минимальной дополнительной реконструкции радиоцентра. Показано, что антенна такого ком-

плекса должна быть многодиапазонной, иметь ненаправленную характеристику в горизонтальной плоскости и обеспечивать вертикальную поляризацию излучения в диапазоне 100...108 МГц (П), горизонтальную поляризацию в диапазоне 65.9... 74 МГц (Г2) и смешанную поляризацию в диапазоне 27... 29 МГц (О) (коэффициент направленного действия (КНД) антенны может быть равен КНД полуволнового вибратора).

На основе структурно-параметрического синтеза была разработана антенна с требуемыми характеристиками.

В качестве структурного прототипа было выбрано известное техническое решение многочастотной антенны с применением частотно-избирательных реактивных нагрузок, включенных в соответствующие сечения излучающей структуры, благодаря чему характер распределения тока существенным образом зависит от рабочей частоты. Подобная антенна на всех частотах имеет один вид поляризации, поэтому задачей структурного синтеза являлось нахождение геометрии антенны, при которой излучение в диапазонах П и [2 происходило бы с различной поляризацией. При этом, антенна должна содержать как горизонтальные, так и вертикальные участки проводников, а их конфигурация - обеспечивать ненаправленное излучение в азимутальной плоскости.

В результате проведенного структурного синтеза определены состав и конфигурация антенны. Общий вид антенны схематично показан на рис.1. Излучающая структура содержит вертикальные (поз. 1 и 2 на рис. 1) и кольцевые (поз. 4 и 5) проводники.

2

изолятор

\

изолятор

Рис. 1

Определение геометрических параметров антенны проводилось методами параметрической оптимизации. В качестве варьируемых параметров (аргументов целевой функции) использовались геометрические размеры ¿1, \л, Ьз, (11, 62 и Б (см. рис. 1). Вид целевой функции:

У(иЬ,0,(12,Ьз,(11) =

3 2х 2л-

= ¿{0,(271)-' |1-|РЫф)|2](1ф+02(1-6зк)(27г)-' ^(ф^ф +Оз|Гк|2} (5), к=1 о 0

где к - номер диапазона (к= 1, 2, 3 - диапазоны Г1, й., О, соответственно);

Р°ц(ф) = °к(ср) / шах | Г °к(ф) - нормированная азимутальная ДН по основному типу поляризации (квадрат модуля этой функции - нормированная ДН по мощности);

Г °к(ф) - ненормированная азимутальная ДН; ф- азимут;

Бк(ф) - поляризационная характеристика, выражающая относительный вклад паразитного излучения с поляризацией неосновного типа; Гк - коэффициент отражения на входе антенны; 01. СЬ , СЬ - неотрицательные весовые коэффициенты; 5з к - символ Кронекера.

Множитель (1-5зк) обеспечивает «отключение» оптимизации по поляризационному критерию в диапазоне В.

Разработан и программно реализован алгоритм синтеза. Проведенная оптимизация геометрических размеров антенны позволила обеспечить требуемые электрические характеристики, что подтверждается расчетными и экспериментальными результатами измерений ДН, поляризационных характеристик и коэффициента отражения антенны.

Предложен способ определения величины коэффициента нелинейности третьего порядка характеристики передатчика на базе аппроксимации экспериментальной амплитудной характеристики. На этой основе установлены требования к характеристикам мостового устройства, обеспечивающие допустимый уровень комбинационных составляющих третьего порядка при сложении сигналов четырех передатчиков.

В третьем разделе приведены результаты исследований и разработки сверширокополосных антенных усилителей для ВЧ радиосвязи.

Исследовано явление амплитудно-фазовой конверсии усилителей (АФК) активных антенн. Показано, что при создании ФАР ВЧ диапазона на базе данных активных антенн, явлением АФК можно пренебречь.

Разработана методика экспериментальных исследований свер-широкополосных антенных усилителей, позволяющая всесторонне объективно оценивать качественные показатели активных антенн. Приведены результаты практической реализации. Показано, что малогабаритная активная антенна может заменить пассивную антенну 2УГД значительных геометрических размеров с сохранением или улучшением качественных показателей системы связи.

Исследованы и разработаны узкополосные одно и многовыхо-довые антенные усилители для ОВЧ радиосвязи.

Приведены результаты оптимизации входных фильтров антенных усилителей ОВЧ радиосвязи.

Результаты практической реализации антенных усилителей приведены в табл.1. Первый сомножитель-количество входов, второй - количество выходов.

Таблица 1

Диапазон, МГц 150 300 400

Тип АУ 1x1 1x8 4x4 1x6 1x6

Динамический диапазон, дБ 105 105 97 95 90

Коэффициент шума, дБ 3,8 4 4,5 4,5 3,5

Коэффициент усиления, дБ 12 6 6 8 6

В четвертом разделе приведены результаты практической реализации сверхширокополосного антенно-усшштельного комплекса для ВЧ радиосвязи, состоящего из 32 несимметричных активных антенн, подключенных к фазирующему устройству на основе ЬС-сетки. Комплекс обеспечивает одновременную работу трех РПУ с подавлением сосредоточенных по азимуту помех. Каждый приемник может работать на любое из 16 азимутальных направлений, выбираемых с помощью координатного коммутатора, находящегося в техническом здании.

Разработана методика экспериментальных исследований комплекса. Приведены результаты экспериментальных исследований ДН комплекса, подтверждающие правильность теоретических результатов.

Приведены результаты измерений характеристики направленности, поляризацонной характеристики и коэффициента стоячей волны (КСВ) трехдиапазонной антенны ОВЧ ЧМ вещания. Выполнен расчет электрической прочности антенны. Показано хорошее соответствие теоретических и экспериментальных характеристик

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы:

1. Разработана методика электродинамического анализа как одиночных активных антенн, так и в составе ФАР с учетом полупроводящей поверхности земли.

2. Приведены результаты частотной зависимости уровня выходного сигнала приемной активной антенны от ее геометрических размеров, высоты подвеса и электрофизических параметров почвы.

3. Выполнен расчет вероятности поражения приемного антешго-усилительного комплекса по нелинейным каналам (интермодуляция АА и РПУ, блокирование и перекрестная модуляция АА).

4. Получены формулы для определения чувствительности и динамического диапазона ФАР с использованием экспериментальных характеристик одиночной активной антенны. Показана степень влияния разброса амплитуд и фаз полезного сигнала и отказов активных антенн на КНД и ДН ФАР.

5. Разработана активная антенна сверхширокополосного приемного антенно-усилительного комплекса для ВЧ радиосвязи, имеющая высокие электрические характеристики при небольших массе и габаритах. Разработана методика экспериментальных исследований активной антенны. Исследовано влияние амплитудно-фазовой конверсии.

6. Предложена концепция построения многодиапазонного антенно-усилительного комплекса для регионального ОВЧ ЧМ вещания, позволяющая эффективно организовать ОВЧ ЧМ вещание в сельской местности.

7. Разработан алгоритм синтеза трехдиапазонной двухполяри-зационной антенны, на основе которого синтезирована трехдиапазон-ная двухполяризационная антенна для ОВЧ ЧМ вещания.

8. Получено выражение для определения величины развязки устройства объединения четырех передатчиков, работающих на близких частотах, необходимой для выполнения действующих норм на уровень комбинационных частот.

9. Найдена требуемая величина развязки мостового устройства антенно-усилительного комплекса для ОВЧ ЧМ вещания.

10. Разработаны узкополосные одно и многовыходовые антенные усилители для ОВЧ радиосвязи, что позволило повысить эффективность систем связи.

11. Приведены результаты практической реализации трехдиапазонной антенны ОВЧ ЧМ вещания. Проведены экспериментальные ис-

следования антенны. На основе полученных результатов, налажен серийный выпуск данных антенн.

Резюме: теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы позволили создать высокоэффективные антенные устройства, разработанные в СОНИИР для Минсвязи РФ, ФАПСИ, Минобороны и других организаций и ведомств.

В Приложении 1 приведены ДН ФАР в составе антенно-усилительного комплекса для ВЧ радиосвязи.

В Приложении 2 приведены схемы электрические принципиальные одно и многовыходовых антенных усилителей для радиосвязи.

В Приложении 3 приведены фотографии разработанных устройств.

В Приложении 4 помещены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Красильников А. Д. Активная КВ антенна. Вестник связи, 1983, №10,-с. 2

2. Казанский Л.С., Красильников А.Д., Родина Г.М.. Многолучевая приемная антенная решетка декаметровых волн. Электросвязь, 1990, №4,- с. 22-23.

3. Красильников А.Д. Влияние неидентичности АЧХ и ФЧХ активных вибраторов на ДН приемной кольцевой антенной решетки. -Электросвяь, 1992, № 2.- с.41-43.

4. Красильников А.Д. Оптимизация входных цепей активных КВ антенн. -Труды НИИР, 1992, № 4,- с. 32-34.

5. Красильников А. Д. Трехдиапазонная антенна УКВ ЧМ вещания. Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава, посвященная 100-летию радио. Тезисы докладов. Самара, ПИИРС, 1995,- с.24-25.

6. Красильников А.Д. Методика определения помехозащищенности активных антенн и фазированной антенной решетки (ФАР) с активными антеннами декаметрового диапазона.// Российская научно-техническая конференция, посвященная 40-летию ПИИРС. Тезисы докладов. - Самара, 1996 г. - с. 37-38.

7. Красильников А.Д. Параграф 3.2.1. Активный вибратор приемной КАР.-с. 42-46. Параграф 3.2.2. Активная приемная антенна.-с. 46. Параграф 3.3.1. Активная передающая антенна.-с.50-54. В кн.: Казанский Л.С., Романов В.А. Антенно-фидерные устройства декаметрового диапазона и электромагнитная экология. - М.: Радио и связь, 1996 г..

8. Красильников А.Д., Минкин М.А., Юдин В.В. Повышение эффективности многовходовых приемо-передающих антенных систем // Информатика, радиотехника, связь: Сборник научных трудов молодых ученых ПИИРС. - Самара, 1996. - с.49-54.

9. Красильников А. Д. Параграф 1.3. Малогабаритная трехдиа-пазонная передающая антенна диапазонов 27-29, 66-74 и 100-108 МГц.-с.36-40. Параграф 7.4. Приемные антенные усилители.-с.206-208. В кн.: Вузов A.JI. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. - М.: Радио и связь, 1997.

10. Красильников А.Д. Подраздел 3.5. Приемные антенные усилители.-с. 69-71. Подраздел 5.3. Устройства одновременной работы и приемные антенные усилители.-с. 100-105. В кн.: А.Л.Бузов, Л.С.Казанский, В.А.Романов, Ю.М.Сподобаев. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной радиосвязи.-М.,Радио и связь, 1997г.

11. Красильников А.Д. Исследование частотных свойств и взаимного влияния активных антенн в зависимости от их размеров и высоты подвеса. // Российская научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - Самара, ПГАТИ, 1998 г.-с.143.