автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследования и разработка малогабаритных кольцевых антенных решеток ДКМВ диапазона с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками

На правах рукописи

Кольчугин Иван Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДКМВ ДИАПАЗОНА С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

05.12.07 — антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005550928

31 ИЮЛ 2014

Самара - 2014

005550928

Работа выполнена на кафедре линий связи и измерений в технике связи ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций

и информатики»

Научный руководитель:

Бузов Александр Львович, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

Томашевич Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор. ФГОБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», заведующий кафедрой радиосистем и обработки сигналов.

Седельников Юрий Евгеньевич, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ», профессор кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Воронежский научно-исследовательский институт «Вега»

Защита состоится 26.09.2014 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 219.003.02 при ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ и на сайте www.psuti.ru

Автореферат разослан «11» июля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 219.003.02

Мишин Дмитрий Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время в России наблюдается рост потребности в услугах ДКМВ радиосвязи. В России, как и во всем мире, наблюдается развитие и модернизация систем и сетей ДКМВ радиосвязи, как важного резервного, аварийного, а нередко и основного вида связи. В связи с этим в рамках общего указания президента для развития радиосвязи в ДКМВ диапазоне поставлена задача построения федеральной резервной сети коротковолновой радиосвязи.

Построение такой сети предъявляет новые требования ко всем ее элементам, в том числе, и к антенным системам. В частности, ужесточаются требования в части сокращения земельных площадей, отводимых под размещение антенн. При этом требуется использование относительно компактных антенных систем, обеспечивающих работу во всех направлениях. Изменчивость и неопределенность факторов, влияющих на устойчивость радиосвязи (условия распространения на трассе, помехи, неопределенность положения антенны мобильного корреспондента и т.п.), требуют, чтобы данная антенная система была адаптивной. В связи с этим, в последние годы получили интенсивное развитие ДКМВ антенные системы с обработкой сигнала. Составной частью этого класса антенных устройств являются антенные системы с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками. Применение антенн, обеспечивающих сканирование по всем азимутам, позволит существенно сократить количество антенн радиоцентра и, соответственно, занимаемую им территорию.

В широком смысле использование адаптивных антенн с изменяемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволяет решить важную задачу унификации антенного состава радиоцентров для ближней и дальней связи. Это является первым шагом на пути к созданию нового, универсального радиоцентра.

В связи с этим, для обслуживания всех азимутальных направлений наилучшим образом подходят многолучевые кольцевые антенные решетки (КАР), обладающие поворотной симметрией. В зависимости от области применения КАР к ним предъявляются различные требования. КАР для радиосвязи должны обладать широкополосностью, обеспечивать достаточный уровень КНД, формировать необходимую поляризацию в зависимости от режима радиосвязи, а также формировать необходимую диаграмму направленности.

Поэтому, вполне актуальной является задача разработки методик синтеза передающих и приемных малогабаритных КАР. При этом, успешное построение подобных антенно-фидерных устройств немыслимо без разработки и реализации современных диаграммообразующих систем, отвечающих жестким требованиям по формированию пространственных и поляризационных характеристик излучения.

Степень разработанности темы исследования

Кольцевые антенные решетки традиционно имеют широкое применение в различных задачах радиосвязи, радиолокации и пр. Основные идеи и результа-

ты создания КАР, включая обоснование возможностей и способов управления их пространственными и поляризационными характеристиками, рассмотрены в трудах Д.М. Сазонова, Д.И. Воскресенского, P.A. Монзинго, Т.У. Миллера, М.В. Ратынского, АЛ. Бузова, JI.C. Казанского, А.Д. Красильникова и других ученых. Однако целостные методики проектирования малогабаритных КАР с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками до настоящего времени созданы не были.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании и разработке антенных систем ДКМВ диапазона с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ методов формирования и исследования пространственных и поляризационных характеристик излучающих систем.

2. Исследование биортогональных и триортогональных излучателей.

3. Исследование излучающих систем кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных излучателей.

4. Разработка методик синтеза излучающих систем кольцевых и двухкольцевых антенных решеток.

5. Анализ требований и выбор методов анализа диаграммообразующих систем антенных решеток.

6. Анализ цифровых методов формирования пространственных и поляризационных характеристик КАР.

7. Исследование характеристик и разработка рекомендаций по выбору типа диаграммообразующей системы многолучевых приемных КАР.

8. Исследование характеристик диаграммообразующих систем на основе управляемых делителей и фазовращателей.

9. Разработка методики проектирования приемных кольцевых и двухкольцевых антенных решеток.

10. Разработка методики проектирования передающих кольцевых и двухкольцевых антенных решеток.

11. Экспериментальные исследования составных частей КАР.

12. Внедрение результатов диссертационного исследования при создании антенных систем радиосвязи.

Научная новизпа работы заключается в следующем:

— получены новые результаты исследований кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов и установлены возможности управления их пространственными характеристиками (за счет формирования необходимых амплитудно-фазовых распределений) и поляризационными характеристиками (за счет взвешенного суммирования ортогональных линейно поляризованных составляющих) с учетом развязки между элементами и эффектов затенения;

— получены новые результаты сравнительных исследований характеристик диаграммообразующих систем многолучевых приемных КАР на основе

ЬС-сеток, на основе линий задержки с распределенными параметрами и искусственных линий задержки; разработаны рекомендации по выбору типа диа-граммообразующей системы; проведена оценка областей применения аналоговых и цифровых методов формирования характеристик КАР;

- разработана методика проектирования приемных кольцевых и двух-кольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками, включающая выбор типа излучающей системы, синтез амплитудно-фазовых распределений по выбранному критерию, выбор типа диаграммообразующей системы на основе разработанных рекомендаций и ее последующий синтез по критерию минимизации отклонения амплитудно-фазового распределения от заданного в широкой полосе частот;

- разработана методика проектирования передающих кольцевых и двух-кольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками, включающая синтез излучающей системы и оптимизацию диаграммообразующей системы на основе управляемых делителей и фазовращателей с учетом параметров рассеяния решетки по критерию минимизации отклонения амплитудно-фазового распределения от заданного.

Теоретическая н практическая значимость работы

- Результаты сравнительных исследований характеристик диаграммооб-разующих систем многолучевых КАР различных типов, разработанные рекомендации по выбору типа диаграммообразующей системы и проведенная оценка областей применения аналоговых и цифровых методов формирования характеристик КАР, позволят решать задачи проектирования широкого класса антенных систем различного назначения и диапазонов на основе кольцевых антенных решеток.

- Разработанная методика проектирования приемной кольцевой и двух-кольцевой антенной решетки с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволит создавать малогабаритные широкополосные антенные решетки различных диапазонов для комплексов радиосвязи, радиолокации.

- Разработанная методика проектирования передающих кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволит обеспечить необходимые значения основных тактико-технических характеристик перспективных передающих радиоцентров ДКМВ диапазона, включая высокую эквивалентную мощность излучения и оперативность перестройки направления главного излучения, при существенном сокращении размеров антенных систем.

- Полученные новые результаты исследований кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов будут полезны разработчикам перспективных антенных систем при выборе технических решений и оценке их предельно достижимых характеристик.

- Разработанная технология настройки ЬС-сетки, включающая проверку и подстройку модулей, итерационный алгоритм настройки трактов и итерацион-

ный алгоритм настройки краевых нагрузок, может быть использована при производстве различных многополюсных устройств фидерного тракта на основе ЬС элементов.

Практическая значимость работы подтверждается результатами внедрения отдельных положений и выводов диссертации при разработке:

- при разработке предложений по оценке перспектив создания подсистемы радиосвязи ДКМВ диапазона в составе специальной АСУ в рамках ее модернизации в интересах соответствующих организаций;

- при разработке схемотехнических и конструктивных решений отдельных составных частей изделия АКАР-Т.

- при разработке предложений по реализации антенно-фидерных трактов антенно-аппаратурных комплексов ДКМВ радиоцентров, предложений по совершенствованию антенно-фидерного оборудования ДКМВ радиосвязи в интересах соответствующих организаций (в форме инженерных записок).

Методология и методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались методы вычислительной электродинамики, методы вычислительной математики, методы теории цепей и длинных линий, методы теории антенн. Для проведения расчетов использовались прошедшие государственную регистрацию программные комплексы, разработанные в ОАО «Концерн «Автоматика».

На защиту выносятся следующие основные положения

1. Новые результаты исследований кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов.

2. Новые результаты сравнительных исследований характеристик диаграм-мообразующих систем многолучевых приемных КАР и разработанные на их основе рекомендации по выбору типа диаграммообразующей системы.

3. Методика проектирования приемных кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.

4. Методика проектирования передающих кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.

Достоверность результатов работы обеспечиваются адекватностью использованных методов и построенных на их основе расчетных моделей. Достоверность результатов работы подтверждается результатами сопоставления расчетных и экспериментальных данных и результатами практической реализации.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на:

- XV, ХУШ и XX Российских научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ (Самара, 2008, 2011,2013);

- XIV и XX Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2008, 2014);

— V Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2011).

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в их числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов исследований на соискание степени доктора и кандидата наук, и 10 публикаций в материалах научно-технических конференций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, списка сокращений и списка использованных источников из 126 наименований. Она содержит 197 страниц основного текста и 77 рисунков.

Во введении обоснованы актуальность темы исследования, ее теоретическая и практическая значимость, проведен обзор литературы по теме диссертации, проанализированы и выбраны подходы к решению поставленных задач, определена новизна и обоснована достоверность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел диссертационной работы посвящен исследованию излучающих систем кольцевых антенных решеток и их составных частей, работающих в ДКМВ диапазоне.

Проведен анализ методов формирования и исследования пространственных и поляризационных характеристик излучающих систем. В рамках решения поставленных задач исследования есть только два способа сокращения земельных площадей, занимаемых ДКМВ антеннами: уменьшение размеров антенн, уменьшение количества антенн в составе радиоцентра. Проанализировав возникающие при таких подходах трудности, принято решение использовать в составе проектируемых радиоцентров многокольцевые малогабаритные КАР. Выполнение требований, предъявляемых к излучающим системам, во многом определяется антенными элементами в составе КАР. В частности, антенные элементы должны обладать необходимыми свойствами широкополосности, иметь достаточный КНД, быть способными принимать волны произвольной поляризации, а также иметь достаточный запас прочности. После анализа было принято решение синтезировать антенную решётку на основе би- и триортого-нальных антенных элементов. Биортогональный антенный элемент (БАЭ) представляет собой два взаимно-перпендикулярных плоских горизонтальных шун-товых вибратора с треугольными плечами (ВГДШП). Триортогональный антенный элемент (ТАЭ) состоит из трех взаимно перпендикулярных вибраторов (два горизонтальных и вертикальный). Для расширения рабочего диапазона предлагается использование многокольцевых антенных решеток, которые строятся на основе двух или большего количества КАР. Рабочий диапазон такой антенной системы разбивается на несколько поддиапазонов, каждому из которых соответствует своя КАР.

Далее, в п. 1.1 выбрано тонкопроволочное приближение и обоснован выбор метода интегральных уравнений Фредгольма первого рода при учете под-

стилающей поверхности (земли) на основе использования коэффициентов Френеля. Также аргументировано использование программного средства ПК «БАМАЫТ» для проведения расчетов.

В п. 1.2 подробно исследованы характеристики БАЭ и ТАЭ. Рассчитанный КБВ приведен на рис.1. Приведены результаты расчетов импеданса антенных элементов и значений КБВ. На основании данных расчетов сделан вывод о пригодности БАЭ для применения в передающих решетках. В приемных же

решётках пред; агается использовать триорто-гональньш антенный элемент совместно с широкополосным антенным усилителем.

В п. 1.3 рассмотрены различные варианты построения излучающих систем как в составе передающих, так и в составе приемных КАР. Исследованы и приведены зависимости формы синтезированной ДН от радиуса КАР, от материала подстилающей поверхности от частоты (см. рис. 2), от направления, в котором синтезируется максимум ДН, от ориентации антенных элементов, а также обсуждена возможность формирования излучения заданной поляризации. Результаты расчетов указывают на то, что синтезированные антенные системы обладают удовлетворительными

0.9 Ой 0.7

ое 0£

0,3

0.1

■ /.....

/ ;

Н&вмкраезниая «зсгвтз ШЗ

Рисунок 1 - КБВ Биортогонального антенного элемента (\¥=2(Ю Ом)

■■■-"У

Н-< 1111

Рисунок 2 -Диаграммы направленности КАР на основе БАЭ на частотах/о (сплошная линия), 3/0 (пунктирная линия) и на 2/0 (штриховая линия)

характеристиками в широком диапазоне варьируемых параметров. Также, обоснована необходимость в ряде случаев использовать решение с многокольцевой структурой. Проведен анализ и расчет излучающей системы, состоящей I из двух КАР. Такая КАР позволяет перекрыть диапазон частот излучения от 3 МГц до 27 МГц. При этом показано, что экранирование за счет внешней решетки не влияет существенно на работу внутренней решетки.

В п. 1.4 предложен следующий алгоритм синтеза излучающих систем:

1) Выбор типа антенного элемента;

2) Выбор количества антенных элементов в КАР;

3) Выбор типа КАР (одно или двухкольцевое решение);

4) Выбор типа ориентации элементов в КАР;

5) Синтез коэффициентов, выполняющих требования по ДН для выбранного варианта КАР.

На основе данного алгоритма предложены методики синтеза излучающих систем приемных и передающих КАР.

Во втором разделе диссертаций проведено исследование и разработка ДОС кольцевых и двухкольцевых антенных решеток ДКМВ диапазона.

Диаграммообразутощая система должна обеспечивать формирование необходимого амплитудно-фазового распределения (АФР) для каждого обслуживаемого радиоприемного (РПУ) или радиопередающего (РПДУ) устройства. Для излучающих систем, которые рассмотрены выше, указанная задача включает два относительно самостоятельных аспекта:

- формирование поляризационной характеристики (ПХ), т.е. вида поляри-

зации излучаемых (принимаемых) волн (плоская, эллиптическая);

- формирование пространственной характеристики (диаграмм направлен-

ности - ДН)

В п.2.1 проведена классификация ДОС по способу формирования ПХ, по назначению антенной системы, по критерию числа одновременно формируемых ДН, по критерию широкополосности.

Отдельно предлагается выделять цифровые ДОС как отдельный класс.

Исходя из анализа достоинств и недостатков каждого варианта построения ДОС, определено, что наиболее перспективными оказываются:

- приемные многовходовые широкополосные ДОС с раздельным формированием ПХ;

- передающие одновходовые перестраиваемые ДОС с одновременным формированием ПХ.

Основными вариантами построения широкополосных многовходовых приемных аналоговых ДОС по мнению автора являются:

- схема Батлера;

- ЬС-сетка;

- ДОС на основе широкополосных линий задержки.

Возможности применения ДОС на основе матрицы Батлера в ДКМВ диапазоне крайне ограничены.

ЬС-сетка представляет собой устройство, моделирующее некоторую сплошную среду, являющуюся двумерным каналом распространения электромагнитных волн, в которой коэффициент преломления зависит от координат. В этом случае при изменении рабочей частоты изменяются и электрические длины трактов ДОС, что обеспечивает формирование АФР в весьма широкой полосе частот. Результаты оценки возможностей многовходовых ДОС на основе ЬС-сетки позволили выявить достоинства этого варианта: обеспечение относительно высокой точности амплитудно-фазовых распределений в широкой полосе частот, достаточно высокую технологичность, относительно небольшие габариты и невысокую стоимость, простоту процесса управления ДН. Одновременно установлены и его недостатки: относительно низкий уровень согласования по входам и выходам сетки и существенное усложнение сетки при необходимости реализации КАР с электрически большим радиусом.

Рассмотрены вопросы реализации ДОС на основе широкополосных линий задержки с распределёнными и сосредоточенными параметрами. Показано, что наиболее перспективными в данном случае являются линии задержки (фазовращатели) на основе ЬС-цепей типа ФНЧ.

В п. 2.2 рассмотрены цифровые методы формирования пространственных и поляризационных характеристик КАР. Обоснована структура цифровой диа-граммообразующей системы (ЦЦОС) и основные требования к аппаратным и программным средствам в его составе. В рамках данного подхода формирование пространственной и поляризационной характеристики системы осуществляется путем взвешенного суммирования парциальных сигналов с комплексными весовыми коэффициентами.

В п. 2.3 проведено исследование характеристик и разработка рекомендаций по выбору типа ДОС многолучевых приемных КАР. Уточнен характер зависимости весовых коэффициентов суммирования парциальных сигналов от частоты с учетом влияния земли. Показано, что учет земли вносит некоторые искажения, однако она остается близка к линейной для различных вариантов геометрии КАР.

В результате синтез ДОС на основе линий задержки сводится к синтезу набора ЛЗ, согласованных по входу и выходу, с требуемыми значениями фазы коэффициента передачи и крутизны фазочастотной характеристики (ФЧХ) в требуемой полосе рабочих частот. Для синтеза устройств фазирования (УФ) на основе ЬС-сеток обосновано применение известного метода, включающего: синтез УФ по оптическому прототипу на основе решения уравнения эйконала; структурную оптимизацию прототипа по критерию максимальной точности фазирования; параметрическую оптимизацию УФ по критерию максимальной точности фазирования заднего полукольца КАР; определение точек подключения для управления утломестной ДН. Проведено сопоставления ДОС на основе ЛЗ и на основе ЬС-сетки. График ДН для одной и той же КАР, использующей различные типы ДОС, с учетом погрешностей установки фазовращателей (до 5 градусов) приведен на рис.3.

Окончательный выбор варианта реализации многолучевой широкополосной приемной ДОС должен осуществляться в зависимости от степени относительной значимости параметров назначения, массо-габаритных и технико-экономических характеристик для конкретного разрабатываемого изделия.

В качестве решения по построению передающей ДОС предложена разветвленная структура на основе управляемых делителей мощности и управляемых фазовращателей. Управляемые делители и фазовращатели в диапазоне ДКМВ удобнее всего реализовывать на основе плавно или дискретно перестраиваемых Ь и С элементах.

Рисунок 3 - Диаграммы направленности КАР на частоте 6 МГц при оптимальном АФР (сплошная линия), с ДОС на основе ЛЗ (штриховая линия), с ДОС на основе ЬС-сетке

В п. 2.4 проведено исследование характеристик передающих ДОС на основе управляемых делителей и фазовращателей. Обосновано решение по построению оперативно управляемой системы формирования характеристик, объединяющей функции ДОС и управления видом поляризации и построенной на основе управляемых делителей мощности (ДМ) и управляемых фазовращателей (ФВ). Обоснована структура ДОС на основе бинарного соединения ДМ с управляемым коэффициентом ответвления и слоя управляемых ФВ с оперативной автоматизированной настройкой одновременно с настройкой передатчика на рабочую частоту. Предложены варианты схемотехнической реализации ДМ и ФВ на основе быстродействующих дискретно переключаемых элементов сосредоточенными параметрами. Получены расчетные соотношения для емкостей и индуктивностей элементов, а также для параметров, связанных с вмещаемой мощностью. На рис 4. представлены энергетические и токовые характеристики звена ДОС. Результаты расчета характеристик ФВ и ДМ и оценки требуемых диапазонов изменения (перестройки) значений емкостей и индуктивностей подтвердили их реализуемость для мощных трактов ДКМВ диапазона.

ЬДи

/

/

/

// // /

ЬЯы. | _ -— У ✓ "вс-Тн

--- __ >

Рисунок 4 - Характеристики токовой и энергетической нагрузки элементов звена

Третий раздел посвящен разработке методик проектирования кольцевых и двухкольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.

Методика для приемных КАР изложена в п. 3.1. Суть методики состоит в нескольких последовательных шагах:

- выбор типа излучающей системы;

синтез амплитудно-фазовых распределений;

- выбор типа диаграммообразующей системы;

- синтез ДОС по комплексному критерию.

При этом первый шаг включает в себя этапы, описанные в п. 1.4.

Синтез амплитудно-фазовых распределений осуществляется методом максимального КНД или (при относительно большом числе обслуживаемых направлений или необходимости динамического формирования ДН) по модо-вым ДН. При этом вопросы синтеза амплитудно-фазовых распределений распадаются на два тесно связанных между собой: синтез максимума ДН в заданном направлении и синтез минимума ДН в заданном направлении. При этом первый связан с приемом полезного сигнала с заданного направления, а второй — с отстройкой от помех. Показано, что при таком подходе КАР становится адаптивной.

Выбор типа диаграммообразующей системы проводится с учетом требований ТЗ. При выборе между ДОС на основе ЛЗ и ЬС-сеткой существенным является, какие требования превалируют: назначения или технико-экономические.

Синтез ДОС предлагается производить по критерию минимизации отклонения результирующей ДН от заданной в широком диапазоне частот в квадра-тической метрике симплексным методом.

Методика для передающих КАР изложена в п. 3.2. Она заключается в синтезе излучающей системы и последующей оптимизации диаграммообразующей системы на основе управляемых делителей и фазовращателей с учетом матрицы рассеяния решетки по критерию минимизации коэффициента отражения на входе при формировании заданного амплитудно-фазового распределения. Проведя рассмотрение связки ДОС и ИС на основе теории цепей (при этом ИС учитывается в виде матрицы Б-параметров, определяемых при решении электродинамической задачи), автору удалось предложить методику синтеза ДОС с учетом взаимовлияния элементов ИС. Синтез ДОС с учетом матрицы рассеяния КАР выполняется методами параметрической оптимизации в следующей последовательности:

1. Принимаются начальные приближения, соответствующие результатам предварительного синтеза.

2. На основе рекурсивной процедуры (1) вычисляется матрица рассеяния соединения ДМ по формулам (1).

[Ч»

('-От _

О

[Ч''

С-1)

■е-1)' с-1) -

(1)

где [11,<м>] - матрица рассеяния (/-1) слоев ДМ. С последующим определением коэффициентов ответвления по формулам (2)

(2"

к2 -кп — 1>2

1'=« )

к2 -К21 ~

(г"'

2"-{ X

5>2 2>2

'=1

кг -К22 ~

\-1

а:

ат

к2т = ос?(а? + а1) 1

(2)

Фазы на ЛЗ определяются как прямая сумма на составных элементах.

3. Вычисляется матрица рассеяния ДОС.

4. Вычисляется массив весовых коэффициентов ДОС.

5. Выполняется параметрическая оптимизация (по критерию минимизации уклонения весовых коэффициентов ДОС от идеализированных) определяются параметры ДОС (коэффициент ответвления для ДН и фазы ЛЗ).

По завершении оптимизации вычисляется входной коэффициент отражения соединения ДОС-КАР.

Четвертый раздел посвящен практической реализации результатов теоретического исследования антенных систем.

В п. 4.1 проведены расчетно-экспериментальные исследования одиночных, биортогональных и триортогональных излучателей, входящих в состав различных изделий. Определены их входные импедансы, ДН развязки между ортогональными вибраторами.

Для обоснования утверждения о том, что возможно создать ДОС, которая способна перекрыть весь ДКМВ диапазон, была синтезирована ДОС на основе ЛЗ. Выполнена проверка широкополосности синтезированных фазовращателей в составе приемных ДОС, включая проверки уровня согласования во всем диапазоне частот, линейности ФЧХ и возможности регулировки ее крутизны в достаточной степени.

Результаты, полученные в п. 4.1 соответствуют выводам, полученным в первом разделе, а также свидетельствуют о применимости выбранных схемотехнических решений во всем ДКМВ диапазоне.

В п. 4.2 рассмотрены вопросы внедрения результатов диссертационного исследования при создании антенных систем радиосвязи. Отдельные положения и выводы диссертационной работы, а также конкретные результаты проведенных расчетов и измерений были использованы:

- при разработке предложений по совершенствованию антенно-фидерного оборудования ДКМВ радиосвязи в интересах соответствующих организаций;

- при разработке схемотехнических и конструктивных решений отдельных составных частей изделия АКАР-Т.

В п. 4.2 описана разработанная автором технология настройки ДОС на основе ЬС-сеток, включающая проверку и подстройку модулей, итерационный алгоритм настройки трактов и итерационный алгоритм настройки краевых нагрузок. Указанная технология позволила существенно сократит!, трудоемкость и повысить качество настройки.

При разработке изделия АКАР-Т, с учетом предъявленных требований, был обоснован выбор варианта построения ДОС на основе линий задержки. Обоснован состав изделия и отдельных составных частей, уточнены тактико-технические требования, проведен синтез КАР и ДОС, разработаны отдельные схемотехнические и конструктивные решения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Приложения содержат результаты расчёта ДН для КАР на основе БАЭ (приложение А) и ТАЭ (приложение Б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты.

Проведены сравнительные исследования характеристик диаграммообра-зующих систем многолучевых КАР различных типов, разработаны рекомендации по выбору типа диаграммообразующей системы, уточнены области применения аналоговых и цифровых методов формирования характеристик КАР.

Разработана методика проектирования приемной кольцевой и днухкольце-вой антенной решетки с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками, которая позволяет создавать малогабаритные широкополосные антенные решетки различных диапазонов для комплексов радиосвязи, радиолокации и др.

Разработана методика проектирования передающих кольцевых и двух-кольцевых антенных решеток с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками, которая позволяет обеспечить необходимые значения основных тактико-технических характеристик перспективных передающих радиоцентров ДКМВ диапазона, включая высокую эквивалентную мощность излучения и оперативность перестройки направления главного излучения, при существенном сокращении размеров антенных систем.

Получены новые результаты исследований кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных элементов, которые будут полезны разработчикам перспективных антенных систем при выборе технических решений и оценке их предельно достижимых характеристик.

Разработана технология настройки LC-сетки, включающая проверку и подстройку модулей, итерационный алгоритм настройки трактов и итерационный алгоритм настройки краевых нагрузок, которая может быть использована при производстве различных многополюсных устройств фидерного тракта на основе LC элементов.

Сформулированы предложения по совершенствованию антенно-фидерного оборудования ДКМВ радиосвязи в интересах соответствующих организаций.

Выдвинуты предложения по реализации антенно-фидерных трактов антен-но-аппаратурных комплексов ДКМВ радиоцентров в интересах соответствующих организаций.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке изделия АКАР-Т.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кольчугин И.Ю. К вопросу выбора метода триангуляции объемных тел применительно к решению внутренней электродинамической задачи / В.Ю. Аронов, И.Ю. Кольчугин // Антенны. - 2010. - №4 (155). - С.38Ч2.

2. Кольчугин И.Ю. Технология цифровой обработки в антенных решетках ДКМВ диапазона // Труды НИИР. - 2011. - № 4. - С. 39 - 51.

3. Кольчугин И.Ю. Перспективы реализации и применения передающих активных многолучевых антенных решеток ДКМВ диапазона // Антенны. - 2012. - № 6. - С. 77 -80.

4. Кольчугин И.Ю. Вопросы построения передающих антенных решеток ДКМВ диапазона / А.Л. Бузов, И.Ю. Кольчутин // Электросвязь. - 2012. - № 12. - С.49-52.

5. Кольчутин И.Ю. Синтез диаграммообразующей системы передающей кольцевой антенной решетки ДКМВ диапазона // Радиотехника. - 2014. - №4. - С. 55 — 59.

6. Кольчутин И.Ю. Излучающая система кольцевых и многокольцевых антенных решеток на основе биортогональных излучателей // Радиотехника. - 2014. - №4. - С. 60 -63.

7. Кольчугин И.Ю. Способы цифрового формирования диаграммы направленности в системе «Smart Antenna» // XV Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (ПГАТИ, 28.01.08 -01.02.08): Материалы конференции. - Самара, 2008. - С.159-160.

8. Кольчугин И.Ю. Схемотехнические и технико-экономические аспекты создания антенных систем ВЧ диапазона на основе кольцевых антенных решеток с цифровым формированием диаграмм направленности / ЕА. Бузова, И.Ю. Кольчутин // XTV Международная научно-техническая конференция: Радиолокация, навигация, связь (Воронеж, апрель 2008 г.). - Воронеж, 2008. - С.482-490.

9. Кольчугин И.Ю. Особенности формирования диаграмм направленности в цифровых антенных решетках различных диапазонов // XVI11 Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ. Материалы конференции - Самара, 2011 - С. 160.

10. Кольчугин И.Ю. Построение цифрового диаграммообразующего тракта антенной1 решетки ДКМВ диапазона // V Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 21 -25 ноября 201] г.). М. : ИРЭ РАН, 2011. — С.468-470.

11. Кольчугин И.Ю. Проблемно-ориентированные программные комплексы для решения задач исследований и разработки антенно-фидерных устройств и систем, созданные в ОАО «Концерн «Автоматика» / В.Ю. Аронов, A.JI. Бузов, М.А. Б угона, И.Ю. Кольчугин, А.Д. Красильников, С.С. Телегин // XX Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ. Материалы конференции — Самара, 2013. — С. 196 — 197.

12. Кольчугин И.Ю. Построение двуххольцевой излучающей системы передающей антенной решетки ДКМВ / И.Ю. Кольчугин, А.Д. Красильников, М.Л. Минкин // XX Российская научная конференция профессорско-преподавательского составу научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ. Материалы конференции — Самара, 2013. — С. 201.

13. Кольчугин И.Ю. Система формирования пространственных и поляризационных характеристик кольцевой шггенной решетки на основе управляемых делителей и фазовращателей / И.Ю. Кольчугин, М.А. Минкин // XX Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ. Материалы конференции—Самара, 2013. — С. 202.

14. Кольчугин И.Ю. Построение диаграммообразующих систем приемных многолучевых кольцевых антенных решеток / И.А. Колояров, И.Ю. Кольчугин, М.А. Минкин // 20-я международная научно - техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Материалы конференции. — Воронеж: НПФ «Саквоее», 2014. — С. 502 — 511.

15. Кольчугин И.Ю. Проектирование приемных кольцевых антенных решеток ДКМВ диапазона с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками / И.Ю. Кольчугин, АД. Красильников // 20-я международная научно - техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Материалы конферешщи. — Воронеж: НПФ «Саквбее», 2014. - С. 494 - 501.

16. Кольчугин И.Ю. Проектирование диаграммообразующих схем передающих кольцевых антенных решеток ДКМВ диапазона / A.J1. Бузов, И.Ю. Кольчугин И 24-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014) (Севастополь, Россия, 7—13 сентября 2014 г.): материалы конференции

Отпечатано фотоспособом в соответствии с материалами, предоставленными заказчиком Подписано в печать 3.07.2014 г. Формат 60x84'/¡6Бумага писчая №1. Гарнитура Тайме. Заказ 1001105. Печать оперативная. Усл.печ.л. 0.94. Тираж 100 экз. Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090. Г.Самара, Московское шоссе 77. т.(846) 228-00-44

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

04201460747 На правах рукописи

Кольчугин Иван Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДКМВ ДИАПАЗОНА С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бузов Александр Львович

Самара-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................. 4

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАЮЩИХ СИСТЕМ КОЛЬЦЕВЫХ И ДВУХКОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДКМВ ДИАПАЗОНА И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ............................................................ 16

1.1 Анализ методов формирования и исследования пространственных и поляризационных характеристик излучающих систем............ 16

1.2 Исследование биортогональных и триортогональных излучателей.................................................................................................................... 30

1.3 Исследование излучающих систем кольцевых и двухкольцевых антенных решеток на основе биортогональных и триортогональных излучателей............................................................................................................ 36

1.4 Разработка методик синтеза излучающих систем кольцевых и двухкольцевых антенных решеток.................................................................. 52

1.5 Выводы по разделу........................................................................... 58

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИАГР AMMO ОБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ КОЛЬЦЕВЫХ И ДВУХКОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДКМВ ДИАПАЗОНА............................................ 60

2.1 Анализ требований и выбор методов анализа диаграммообра-зующих систем антенных решеток................................................................. 60

2.2 Цифровые методы формирования пространственных и поляризационных характеристик КАР....................................................................... 77

2.3 Исследование характеристик и разработка рекомендаций по выбору типа диаграммообразующей системы многолучевых приемных

КАР..................................................................................................................... 87

2.4 Исследование характеристик диаграммообразующих систем на основе управляемых делителей и фазовращателей....................................... 99

2.5 Выводы по разделу........................................................................... 111

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ И ДВУХКОЛЬЦЕВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДКМВ ДИАПАЗОНА................................................................................................... 115

3.1 Разработка методики проектирования приемных кольцевых и двухкольцевых антенных решеток.................................................................. 115

3.2 Разработка методики проектирования передающих кольцевых

и двухкольцевых антенных решеток.............................................................. 123

3.3 Выводы по разделу........................................................................... 133

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РАДИОСВЯЗИ................................................. 137

4.1 Результаты практической реализации и расчетно-экспериментальных исследований составных частей КАР.......................... 137

4.2 Внедрение результатов диссертационного исследования при создании антенных систем радиосвязи.......................................................... 151

4.3 Выводы по разделу........................................................................... 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................... 169

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................. 182

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................... 184

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты исследования ДН КАР на основе

биортогональных антенных элементов.......................................................... 198

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты исследования ДН КАР на основе триортотональных антенных элементов................................................ 221

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

С развитием систем ДКМВ радиосвязи ужесточаются требования в части сокращения земельных площадей, отводимых под размещение антенн. При этом требуется использование относительно компактных антенных систем, обеспечивающих работу во всех направлениях. Изменчивость и неопределенность факторов, влияющих на устойчивость радиосвязи (условия распространения на трассе, помехи, неопределенность положения антенны мобильного корреспондента и т.п.), требуют, чтобы данная антенная система была адаптивной. В связи с этим, в последние годы получили интенсивное развитие ДКМВ антенные системы с обработкой сигнала. Составной частью этого класса антенных устройств являются антенные системы с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.

Применение антенн, обеспечивающих сканирование по всем азимутам, позволит существенно сократить количество антенн радиоцентра и, соответственно, занимаемую им территорию.

В широком смысле использование адаптивных антенн с изменяемыми пространственными и поляризационными характеристиками позволяет решить важную задачу унификации антенного состава радиоцентров для ближней и дальней связи. Это является первым шагом на пути к созданию нового, универсального радиоцентра.

Для обслуживания всех азимутальных направлений наилучшим образом подходят многолучевые кольцевые антенные решетки (КАР), обладающие поворотной симметрией. В зависимости от области применения КАР к ним предъявляются различные требования. КАР для радиосвязи должны обладать широкополосностью, обеспечивать достаточный уровень КНД, формировать необходимую поляризацию в зависимости от режима радиосвязи, формировать

необходимую диаграмму направленности, решать вопросы увеличения полосы пропускания канала методами пространственного кодирования (MIMO).

Таким образом, тема исследования весьма актуальна.

Степень разработанности темы исследования

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Кольцевые антенные решетки традиционно имеют широкое применение в различных задачах радиосвязи, радиолокации и пр. Их преимуществами являются компактность (по сравнению с антеннами с неперестраиваемыми ДН), возможность оперативного управления ДН, возможность построения «умных» антенн и пр. Особенно широко используемыми на практике являются фазированные антенные решетки (ФАР). Также в последние годы интенсивно развивается направление, связанное с адаптивными или smart-решетками [3, 84, 95, 98].

Широкое освещение получил круг вопросов пространственного кодирования сигналов (MIMO) [114].

Вопросам построения антенных решеток (АР) посвящено большое количество работ [3, 10, 11, 14-16, 18, 22, 28, 31, 39-43, 46, 49, 53, 57, 62, 76-78, 84, 86, 88, 90, 95, 96, 98, 104, 110, 112, 115, 116, 118-122, 124-126]. Основные идеи построения АР рассмотрены в трудах Д.М. Сазонова, Д.И. Воскресенского, P.A. Монзинго, Т.У. Миллера, М.В. Ратынского, A.JI. Бузова, JI.C. Казанского, А.Д. Красильникова и других ученых. В этих работах рассматриваются вопросы построения излучающих элементов и устройств согласования и фазирования АР, проектирования АР и пр. Также большое количество работ посвящено вопросам управления АР, методам формирования пространственных и поляризационных характеристик, различного рода алгоритмам и оптимизации характеристик АР и пр.

Наиболее широко используемыми КАР в ДКМВ диапазоне являются кольцевые антенные решетки (КАР) [18, 76]. Их преимуществами являются возможность управления ДН, создания режима многолучевости, способность

заменить по характеристикам назначения комплект крупногабаритных антенн типа БС. Традиционно КАР строятся на основе симметричных вертикальных вибраторов. Такое построение обеспечивает прием волн только вертикальной поляризации. В данной же работе КАР строятся на основе триортогональных антенных модулей, что позволяет более эффективно управлять пространственными и поляризационными характеристиками КАР.

Кроме того, в подавляющем большинстве работ рассматриваются полноразмерные антенные решетки, размеры которых выбираются по результатам оптимального синтеза. В данной же работе классические подходы к синтезу АР применяются для разработки малогабаритных решеток, размеры которых намеренно уменьшаются по сравнению с оптимальными. Это, как правило, делается для экономии места и, соответственно, расширения возможностей установки и эксплуатации таких решеток. Вполне очевидно, что в малогабаритных решетках более сильная электромагнитная связь между излучающими элементами, а также худшее согласование элементов. Следовательно, малогабаритность решеток накладывает определенные, более жесткие требования к методикам их проектирования. Поэтому вполне актуальной является задача разработки методик синтеза передающих и приемных малогабаритных КАР.

Более жесткие требования к разрабатываемым методикам проектирования влекут за собой и соответствующие требования к точности и адекватности методов электродинамического анализа решеток. Поэтому одним из важнейших вопросов в данной работе является вопрос выбора наиболее адекватных методов электродинамического моделирования малогабаритных КАР.

Вообще задачу моделирования малогабаритных КАР можно разделить на две независимые и, одновременно, связанные задачи: задачу моделирования излучающей системы и задачу моделирования диаграммообразующей схемы. Эти задачи решаются отдельно друг от друга, однако, результаты решения каждой из задач учитываются при решении другой. Поэтому в методике синтеза малогабаритных КАР в целом возможно присутствие элементов итерационного под-

хода. Рассмотрим сначала методы анализа излучающих систем, а затем диа-граммообразующих схем (ДОС).

Рассматриваемые в данной работе малогабаритные КАР работают в ДКМВ диапазоне и состоят из проволочных вибраторов. К анализу таких систем существуют различные подходы. В данной работе мы ограничимся рассмотрением методов, основанных на интегральных уравнениях. Среди таких методов можно выделить две большие группы, основанные на использовании реальных (поверхностных) и эквивалентных (осевых) источников.

К первой группе методов относятся методы сингулярных интегральных уравнений. Такие методы развиты в трудах В.А Неганова, Т.П. Ярового, С.И. Эминова и других ученых [85, 94]. Они позволяют строить устойчивые вычислительные алгоритмы, однако недостаточно универсальны в смысле пространственных форм (уединенный вибратор, квазипериодическая решетка вибраторов и т.п.) и весьма ресурсоемки.

К этой же группе методов также необходимо отнести предложенный Л.С. Казанским метод обобщенной эквивалентной цепи (ОЭЦ) [47, 57]. Метод ОЭЦ достаточно эффективен, однако также относительно ресурсоемок вследствие избыточности искомых величин и предполагает только кусочно-постоянную аппроксимацию решения.

Что же касается интегральных уравнений с точным ядром, которые строятся относительно поверхностного тока, наведенного на проводниках антенны, то к числу их недостатков можно отнести высокую ресурсоемкость, а также недостаточную универсальность в смысле пространственных геометрических форм.

Вообще же следует отметить тот факт, что радиус проволок, из которых состоят вибраторы в ДКМВ диапазоне, много меньше рабочей длины волны решетки во всем диапазоне, поэтому их целесообразнее всего моделировать в тонкопроволочном приближении. Поэтому далее рассмотрим методы инте-

тральных уравнений в тонкопроволочном приближении (относительно эквивалентного осевого тока).

В рамках метода интегральных уравнений в тонкопроволочном приближении возможна постановка задачи в форме уравнений Фредгольма первого и второго рода. Уравнения Фредгольма второго рода имеют смысл граничного условия для азимутальной компоненты магнитного поля. Такие уравнения развиты в работах E.H. Васильева, С.И. Эминова и других ученых [27, 30, 94]. Их преимуществами по сравнению с уравнениями первого рода являются корректность задачи и большая устойчивость решения. Однако, данные преимущества существенны при анализе проводников большого радиуса. В данном же случае, как было указано выше, рассматриваются только проводники малых радиусов. В то же время, существенными недостатками такого подхода являются высокая ресурсоемкость, связанная с необходимостью интегрирования по контуру поперечного сечения проводников, а также трудности при описании контактов в местах ветвления проводников.

Метод уравнений Фредгольма первого рода, пожалуй, получил наиболее распространение при анализе проволочных антенн. Подобные методы развивались в работах Е. Галлена, Р.Ф. Харрингтона, Дж.Х. Ричмонда, Г.З. Айзенберга, Г.А. Клигера, A.B. Рунова и многих других ученых [24, 26, 30, 73, 74, 111, 112]. Преимуществами такого подхода являются простота алгоритмизации, сравнительно небольшая потребность в вычислительных ресурсах, универсальность в смысле пространственных форм и т.д. К недостаткам можно отнести некорректность задачи по Адамару, о чем уже говорилось выше.

Проанализировав достоинства и недостатки рассмотренных выше методов, в качестве базового метода для синтеза антенных систем был выбран метод уравнений Фредгольма первого рода. В пользу такого выбора дополнительно выступает имеющийся в научной школе ОАО «Концерн «Автоматика» «задел» в области его разработки и алгоритмизации.

»г 1

Далее перейдем к рассмотрению вопросов построения ДОС и методов их анализа. Построение ДОС для КАР является весьма нетривиальной задачей. Это связано, в частности, с широким (иногда и двадцати кратным) рабочим диапазоном, а также с возросшими в последние годы требованиями к системам ДКМВ радиосвязи. Поэтому, хотя разработка данных устройств в ДКМВ диапазоне ведется не один десяток лет, эти вопросы остаются по-прежнему актуальными.

Разработке ДОС для АР посвящено достаточно большое количество работ [44-46, 49-55, 57, 73, 76]. Эти вопросы рассматривались в работах Г.З. Айзенберга, С.П. Белоусова, А.Л. Бузова, Л.С. Казанского, А.Д. Красильникова, Г.А. Клигера, С.Е. Лондона и других ученых. В самом общем виде ДОС представляют собой сложные фазосдвигающие контуры. При этом в зависимости от задачи их можно выполнять как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах.

Задачи анализа и синтеза ДОС относятся к классу внутренних электродинамических задач. Для их строгого электродинамического анализа подходят методы на основе как дифференциальных уравнений, так и интегральных. Различные методы на основе интегральных уравнений уже были рассмотрены выше. Их применение в данном случае нецелесообразно из-за больших вычислительных затрат и сложности формализации геометрии.

Системы дифференциальных уравнений сводятся, как правило, к системе линейных алгебраических уравнений путем использования методов конечных элементов, конечно-разностной аппроксимации и т.д. [80, 87, 89]. Во всех этих методах является необходимым построение пространственной сетки узлов, в которых ищется решение, что накладывает основные ограничения на применение данных методов. В данном случае построение адекватной расчетной сетки представляется сложной задачей, и применение данной группы методов также нецелесообразно. Поэтому в рамках настоящей работы было принято решение

использовать наиболее распространенные при решении подобных задач приближенные методы анализа, которые будут рассмотрены далее.

Вообще ДОС любого типа относятся к многополюсным устройствам [1, 32, 59, 81-83, 97, 105, 107]. Методы анализа ВЧ устройств разрабатывались и развивались многими учеными, среди которых можно отметить работы А.Л. Фельдштейна, Г.Г. Чавки, Л.Р. Явича, Д. Маттея, В. Фуско и других. К числу методов анализа ВЧ устройств можно отнести методы декомпозиции [96], метод аналогии со сплошной диэлектрической средой [57] и др.

По мнению автора, наиболее широко используемым методом анализа и синтеза ДОС является метод, основанный на решении алгебраических уравнений электрических цепей [18, 57]. Преимуществами данного подхода являются простота реализации, многолетняя апробация, возможность построения систем уравнений для сразу неизвестных индуктивностей и емкостей. Поэтому автор остановился на методе анализа и синтеза ДОС с помощью решения алгебраических уравнений электрических цепей.

В целом, обзор литературы показал, что целостные методики проектирования малогабаритных КАР диапазона ДКМВ с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками на сегодняшний день не созданы.

Цель работы - исследования и разработка антенных систем ДКМВ диапазона с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками.

Задачи исследований

1. Анализ методов формирования и исследования пространственных и поляризационных характеристик излучающих систем.

2. Исследование биортогональных и триортогональных излучателей.

3. Исследование излучающих систем кольцевых и двухкольцевых