автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Маловыступающая кольцевая антенна для подвижной связи в УКВ - диапазоне

На правах рукописи

ЗОТОВ ВЛАДИСЛАВ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МАЛОВЫСТУПАЮЩАЯ КОЛЬЦЕВАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ В УКВ - ДИАПАЗОНЕ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 МАР 2014

Воронеж - 2014

ииэ54б495

005546496

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Юдин Владимир Иванович, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры радиоэлектронных устройств и систем

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Нечаев Юрий Борисович, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»,

профессор кафедры информационных

Ведущая организации

кандидат технических наук, Негробов Владимир Владимирович, ОАО НКТБ «Феррит», инженер-конструктор I категории (г. Воронеж)

ФГКОУ ВПО «Воронежский институт МВД России»

Защита состоится «15» мая 2014 г. в 14 00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

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

Автореферат разослан "У'<А^А>у2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О. Ю. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуалышсть темы. Мобильная связь в УКВ-диапазоне получила в настоящее время очень широкое применение в самых различных сферах жизни человека. Оперативная работа многих гражданских служб невозможна без надежной и устойчивой радиосвязи между служебными машинами и центральным диспетчерским пунктом. Без УКВ-радиосвязи нельзя представить эффективное взаимодействие войсковых подразделений при проведении военных операций.

В зависимости от назначения к мобильной системе связи предъявляются различные требования. Что касается антенн, то для мобильной УКВ-связи требования сводятся к следующим:

- круговой ненаправленный характер излучения в горизонтальной плоскости;

- вертикальная поляризация излучаемого поля;

- неизменность основных характеристик антенны во время движения мобильного объекта-носителя.

Пока указанные требования ставились не слишком жестко, подвижная УКВ-радиосвязь довольно успешно поддерживалась с помощью обычных вибраторных антенн.

Наряду с преимуществами вибраторные антенны обладают целым рядом недостатков. Так, например, длина вибратора на нижних частотах УКВ-диапазона равна нескольким метрам, что значительно затрудняет прохождение объекта по пересеченной местности и на территории населенных пунктов. При изгибании антенны непрерывно изменяется её согласование с питающим фидером, при этом искажается диаграмма направленности (ДН), что приводит к уменьшению устойчивости связи.

Возникает необходимость поиска антенн, способных выполнять все поставленные перед УКВ-связными мобильными антеннами задачи, а также обладающих малой высотой возвышения над поверхностью установки и жесткой конструкцией.

Для обеспечения высокой проходимости по пересеченной местности и малой заметности антенны при установке на мобильном объекте необходима новая маловыступаюгцая антенна с характеристиками, незначительно уступающими аналогичным характеристикам четвертьволнового вибратора. Примером маловыступающей антенны, заслуживающей внимания, является коль-

цевая антенна Бойера, первое сообщение о которой появилось более полувека назад. Явными преимуществами маловыступающей антенны по сравнению с вибраторной становятся постоянство характеристик во время движения автомобиля, отсутствие раскачивающихся элементов конструкции при движении, малая высота подвеса над крышей объекта. Геометрические параметры позволяют скрьггь антенну под радиопрозрачным материалом и придать конструкции эстетичный внешний вид.

Значительный вклад в разработку и исследование конструкций маловы-ступающих кольцевых антенн внесли J. Boyer, W. Blackband, R. Burton и R. King, К. Patterson, К. Britain, W. English, В. Quednau, В. Слюсар. Заметный вклад в математический анализ внесли L. Licking, G. Zhou, Т. Wu, R. Li, J. Laskar, D. Werner, P. Overfelt, R. Dome, V. Stoiljkovic, A. Ellrick, J. Storer, S. Moorthy, K. Ротхаммель, 3. Беньковский, W. Eichenauer и другие.

Однако существующие результаты исследований не содержат полной информации о целом ряде характеристик кольцевой антенны. Поэтому продолжение этих исследований, доведение их до уровня, дающего более полное понимание физики работы кольцевой антенны и её модификаций, является актуальной научной и технической задачей.

Цель и задачи исследования - теоретическое и экспериментальное исследования маловыступающей антенны кольцевого типа, предложение конструкции антенны, максимально привлекающей к участию в процессе излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на корпусе носителя и компенсирующей дифракционные искажения диаграммы направленности антенны.

Достижение поставленной цели основано на решении следующих задач:

1) Анализ путей повышения эффективности и разработка метода оптимизации характеристик кольцевой антенны, установленной на объекте-носителе.

2) Экспериментальное исследование и сравнение эффективностей вибраторной антенны, используемой в подвижной связи на УКВ, и кольцевой антенны при расположении их на корпусе подвижного объекта.

3) Синтез конфигурации антенны, установленной на реальном объекте-носителе, корректирующей дифракционную составляющую поля, искажающую форму диаграммы направленности излучения.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались элементы теории электромагнитного поля, теория математического моделирования, теория дифракции, 313 - моделирование на ЭВМ, методы автоматического проектирования, а также экспериментальные классические методы антенных исследований.

Научная новизна работы.

1) Разработана и исследована математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой УКВ-антенны с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по её периметру.

2) Разработан метод повышения эффективности кольцевых антенн, позволяющий привлечь к процессу излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на стенках объекта-носителя.

3) Предложен и исследован метод фазирования тока вдоль кольцевой антенны увеличенного периметра.

4) Разработана методика синтеза и анализа кольцевых антенн разных вариантов построения, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемой антенны с учетом дифракционных искажений на корпусе объекта-носителя.

Практические результаты диссертации, достигнутые в процессе выполнения научных исследований:

1) опытное доказательство эффекта увеличения коэффициента усиления кольцевой антенны за счет активного вовлечения в процесс излучения токов, наведенных на отвесных участках боковых стенок корпуса подвижного объекта и искусственно введенных металлических неоднородностей;

2) новая кольцевая антенна с максимальным размером диаметра и способ ее настройки путем изменения последовательно и параллельно включенных реак-тивностей;

3) расширенный перечень технических и эксплуатационных параметров кольцевой антенны, измеренных экспериментально при расположении антенны на реальном подвижном объекте в естественных условиях работы на линии связи;

4) способ коррекции диаграммы направленности излучения кольцевой антенны выбором топологии выпуклой крыши подвижного объекта и конфигурации квазикруговой геометрии антенны.

Положения, выносимые на защиту.

1) Математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой антенны, учитывающая неравномерный характер распределения высокочастотного тока возбуждения по периметру антенны.

2) Результаты расширенных экспериментальных исследований параметров кольцевой антенны (коэффициента усиления, направленности излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, входного сопротивления, коэффициента бегущей волны), установленной на мобильном объекте.

3) Результаты экспериментальных исследований влияния на направленные свойства кольцевой антенны геометрической формы реальной поверхности мобильного объекта.

4) Метод синтеза и анализа кольцевых антенн и объекта-носителя, обеспечивающий максимальную равномерность диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости.

Внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работы в виде конструкций кольцевых антенн и способа повышения эффективности антенн внедрены на предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва).

Апробация результатов работы.

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были опубликованы, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2012), XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2013), IX Международной IEEE «Сибирская конференция по управлению и связи SIB-CON-2011» (Красноярск, 2011), X Международной IEEE «Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2013» (Красноярск , 2013), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники, посвященной 117-й годовщине Дня радио» (Красноярск, 2012); ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и научно-методических семинарах кафедры радиоэлектронных устройств и систем (2010-2013).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и монография. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автором получены следующие результаты: экспериментальное исследование различных вариантов кольцевых антенн [2, 3, 7 - 10]; повышение эффективности кольцевой антенны введением выпуклой поверхности [1, 4]; математический анализ и синтез кольцевых антенн [5, 6,10, 11].

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 112 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору особенностей подвижной связи УКВ-диапазона и существующих конструкций маловыступающих антенн УКВ-диапазона. Рассмотрены физические принципы работы кольцевой антенны, особое внимание уделено роли тока смещения в формировании поля излучения антенны. Уделено внимание зоне, содержащей максимальную плотность токов смещения. При размещении в этой зоне неоднородности экрана наводимые токи вносят максимальный вклад в формирование излучаемого поля.

Во второй главе исследуются известные антенна Бойера, замкнутая кольцевая антенна, двухэлементная кольцевая антенна и новая антенна с фазированием тока по периметру и комбинированной настройкой.

Для антенны Бойера степень повышения эффективности кольцевой антенны при расположении ее над выпуклой поверхностью, имеющей отвесные стенки, исследовалась на макете, показанном на рис. 1; изменения настроечной емкости Сы и коэффициента бегущей волны (КБВ) антенны в рабочем диапазоне частот 30 - 60 МГц приведены на рис.3.

Рис. 1. Внешний вид макета с установленной антенной Бойера

КБВ 1

0.9 0.8 0" 0.6 0.3

Рис. 2. Макет с замкнутой кольцевой антенной

30 40 50 №£МГц

Рис. 3. Изменение КБВ и настроечной емкости в рабочем диапазоне частот

Оценка эффективности введения выпуклой поверхности проводилась путем измерения коэффициента усиления (КУ) вибраторной антенны длиной 0.625Хо, антенны Бойера и замкнутой кольцевой антенны высотой 0,07 м, периметр которой вдвое превышал периметр антенны Бойера. установленной на том же макете (рис. 4).

I МГц

Рис. 4. КУ: а) антенны Бойера над плоским экраном (кривая 1), б) антенны Бойера над выпуклым экраном (кривая 2), в) замкнутой кольцевой антенны над выпуклым экраном (кривая 3)

Введение выпуклости в экране увеличивает коэффициент усиления (рис. 4 а). Возрастание КУ вызвано и тем, что замкнутая кольцевая антенна, имея больший диаметр, ближе подходит к отвесным стенкам макета, чем антенна Бойера, и лучше возбуждает их.

Экспериментальные измерения диаграмм направленности в горизонтальной плоскости для рассматриваемых антенн показаны на рис. 5.

Рис. 5. Диаграммы направленности кольцевых антенн в горизонтальной плоскости, измеренные на частоте 60 МГц

Результаты измерений показывают, что выпуклая поверхность, вводимая в кольцевую антенну, улучшает ее характеристики. КУ замкнутой кольцевой антенны (рис. 2) возрастает (особенно в верхней части рабочего диапазона частот) вследствие приближения кольца к отвесным стенкам макета. Однако из-за неравномерного распределения по периметру боковой стенки наведенного тока выпуклая поверхность экрана вносит искажение в диаграмму направленности антенны и приводит к ее неравномерности (рис. 5).

Плавное уменьшение настроечной емкости Сн позволяет на участке частот 30 - 40 МГц постепенно повышать КБВ с 0,8 до 0,9, а в верхнем участке 40 - 60 МГц удерживать в пределах 0,9 0,98 (рис. 6).

270

КА над плоским экраном КА над выпуклым экраном Замкнутая КА над выпуклым экраном

Спмф ■№ КБВ

■30 ]■ 40—---" :т 50 10

1

3« «1 50

Рис. 6. Изменение КБВ и настроечной емкости в рабочем диапазоне частот

Направленные свойства излучения замкнутой кольцевой антенны исследованы в реальных условиях эксплуатации при установке антенны на крыше автомобиля «Газель».

Результаты измерений показали, что диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частотах 32 МГц и 56 МГц (рис.7, рис. 8) имеют округлую форму и заметно различаются между собой только на нижних частотах диапазона. Это объясняется тем. что кольцевая антенна рассчитана на частоту 60 МГц.

Рис. 7. ДН на частоте 32 МГц

Рис. 8. ДН на частоте 56 МГц

90"

- замкнутая кольцевая антенна

---вибратор 4 метра

6=90°

240 300

270

замкнутая кольпсвая антенна вибратор 4 метра

Сравнение ДН вибраторной и кольцевой антенн в азимутальном секторе 0° — 360° показывает большее совпадение диаграмм в направлениях 0° - 180° («вперед» и «назад»). Некоторое расхождение наблюдается в по-

перечных направлениях к оси автомобиля, это объясняется наличием проемов (окон и двери) в боковых стенах «Газели», которые кольцевой антенной возбуждаются сильнее, чем вибраторной.

Измерения ДН замкнутой кольцевой антенны в вертикальных (продольной и поперечной) плоскостях выполнялись на макете, изготовленном в масштабе 1:10. Макет устанавливался на диэлектрической опоре и размещался в специально оборудованном для радиоизмерений помещении. Измерения проводились на частотах 320 и 560 МГц.

(р= О

0 О.а 0.4 0-6 0.8 1

- замкнутая кольцевал антенна

--— вибратор 40 см

Рис. 9. ДН на частоте 320 МГц

<р= О

О 0.2 0!4 0.6 0.8 1 * замкнутая кольцевая антенна

--— вибратор 40 см

Рис. 10. ДН на частоте 560 МГц

Как и в случае горизонтальной плоскости, диаграммы направленности кольцевой антенны в вертикальной плоскости несущественно отличаются от соответствующих диаграмм четырехметрового вибратора, смоделированного в антенну 40 см. Имея разные интенсивность и ориентацию в вертикальной плоскости боковых лепестков (это объясняется различием процессов дифракции волн, излучаемых кольцевой и вибраторной антеннами), в направлениях радиосвязи (вдоль поверхности земли для углов вертикального отклонения 0° и 180°) обе антенны создают поля одинаковых напряженностей.

Качество и надежность радиосвязи в полевых условиях (пересеченная местность: поле, поросшее деревьями и кустарниками, лес) проверялись при расположении замкнутой кольцевой антенны в центре крыши подвижного объекта (автомобиля «Газель»). Качество связи проверялось по разборчивости речи. Измерения показали, что до расстояния между автомобилями 10 км система радиосвязи с замкнутыми кольцевыми антеннами

на стороне передатчика и на стороне приемника работала надежно: разборчивость речи превышает 90 %. На больших удалениях (10- 15 км) качество связи с использованием кольцевых антенн постепенно ухудшалась.

Суммируя полученные результаты экспериментальных исследований параметров замкнутой кольцевой антенны, делаем вывод о возможности разработки на ее основе маловыступающей антенны для мобильных объектов.

Антенна Бойера и замкнутая кольцевая антенна имеют резонансную конструкцию. Наилучшие характеристики последняя из них демонстрирует при настройке в Х/2 — резонансе, поэтому она узкополосна. В двухэлементной (двухкольцевой) антенне (автор .1. Воуег) кольцо большего диаметра работает в нижнем участке рабочего диапазона (примерно 30 40 МГц). Верхний участок (примерно 40 60 МГц) обслуживает кольцо малого диаметра, включенное в двухэлементную антенну параллельно большому.

Исследование двухэлементной кольцевой антенны (рис. 11) показало, что по сравнению с замкнутой кольцевой антенной КУ на нижних частотах 30 - 60 МГц отличается в 8 раз. Экспериментально измеренное изменение КУ от частоты в двухэлементной антенне составляет 3,5, т.е. равномерность коэффициента усиления улучшилась более чем в 2 раза (рис. 12).

Рис. 12. КУ замкнутой кольцевой

Рис. 11. Внешний вид двухэле-

антенны (кривая 1), двухэлемент-

ментной кольцевой антенны

ной кольцевой антенны (кривая 2)

В специальных случаях, когда объект установки маловыступающей антенны имеет плоскую крышу больших размеров, замкнутая кольцевая

антенна, периметр которой вдвое превышает периметр антенны Бойера. «не достает» до края крыши и до отвесных боковых стенок. Предложено еще более увеличить периметр замкнутой кольцевой антенны, но с целью недопущения появления в антенне участков с противофазным током помимо параллельной емкости, включаемой в точке, диаметрально противоположной месту запитки замкнутой кольцевой антенны, ввести в антенну две последовательные емкости на специально подобранном удалении от точки запитки.

Результаты анализа замкнутой кольцевой антенны с фазированием тока по периметру показали, что КУ такой антенны заметно отличается от рассмотренных выше. Антенна показана на рис. 13. КУ антенны - на рис. 14.

,„ _ „ „ Рис. 14. КУ замкнутой кольцевой

Рис. 13. Внешнии вид замкнутой

- антенны с комбинированной на-

кольцевои антенны с комоиниро-

„ „ стройкой по диапазону

ванной настройкой по диапазону

Антенна с комбинированной перестройкой емкостей для фазирования токов по периметру среди кольцевых является наиболее эффективной. Возможность подстройки в широком диапазоне позволила добиться значений КБВ не хуже 0.8, изменение КУ от частоты составляет 2, т.е. равномерность коэффициента усиления улучшилась более чем в 1.5 раза по сравнению с двухэлементной кольцевой антенной. Антенна отвечает всем важнейшим требованиям, предъявляемым к маловыступающей антенне для УКВ - связи между подвижными объектами. Антенна высотой 0,07 м позволила заменить четырехметровый несимметричный вибратор и поддерживать надежную радиосвязь на дальностях до 10 - 12 км.

В третьей главе диссертации представлены математические выкладки, описывающие поле кольцевого источника и кольцевой антенны в различных условиях излучения:

1) При равномерном распределении возбуждающего тока по периметру антенны высокочастотный ток равен 1 ((р) = /0.

Тогда (для элемента тока di кольцевой антенны, находящейся в свободном пространстве) векторный потенциал поля в дальней зоне находится как

с

где Ца - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; к = - по-

стоянная распространения в вакууме; R - расстояние от элементарного излучателя до точки наблюдения; di — длина элементарного излучателя на кольцевой антенне; с - замкнутый периметр кольцевой антенны.

Выполнение известного перехода от векторного потенциала поля к составляющим Е и Н для дальней зоны приводит к

е -i кг

Е<р = kr¡Q0a) ~——J1(ka sin в),

¿r (2)

e-]kr

Нв = -fc(/0a)-^-/j (Tea sin 6>),

где г] = V^o/£o ~~ волновое сопротивление вакуума; г - расстояние от центра координат, расположенного в центре кольцевой антенны, до точки наблюдения

2) При неравномерном распределении возбуждающего тока по периметру антенны 1{ср') = 10 cos где £ = ка.

Векторный потенциал А антенны по-прежнему определяется выражением (1).

В итоге для дальней зоны получим

Ед = —jkr\--e~>krcos 9 [M cos cp + N sin <p ],

8ят

e<p = -JkTl e~ikr[M cos <p + Nsin<p],

ац!0

8лт

где М, N - интегральные функции углов в, ср.

В случае расположения кольцевой антенны над бесконечной металлической. идеально проводящей плоскостью на высоте Н поле излучения определится суперпозицией полей реальной и «зеркальной» кольцевых антенн.

В плоскости © = л/2 (в плоскости металлического экрана) составляющая электрического поля е равна нулю. Таким образом, кольцо, установленное над плоским экраном, вдоль поверхности экрана не излучает.

3) Рассмотрен случай расположения замкнутой кольцевой антенны над идеально проводящей полусферой, находящейся на заземленном металлическом листе. Анализ излучения при этом сводится к анализу теории поверхностных антенн и дифракции на сфере, подробно описанной Фоком и Вайнштейном. Выражения, полученные для электромагнитного поля замкнутой кольцевой антенны, расположенной над сферой, полученные с применением теории Фока, подтверждают вывод о том, что дифракционная составляющая поля оказывает значительный вклад в характеристики антенны.

Положительное влияние боковых стенок объекта-носителя на излучение маловыступающей кольцевой антенны может быть усилено введением в антенну искусственно созданной неравномерности: выпуклого или вогнутого участка поверхности крыши носителя.

Проведена оценка влияния формы выпуклой поверхности экрана, размещенной в зоне максимальной концентрации токов смещения антенны, на ее ДН и КУ. Исследование эффекта введения геометрически простых

= -jkr]-~e~ikTcos в[М coscp + N sin <р ] cos(fc • h ■ cos&), = kr]^-e~'kr[M coscp + N sin <p]sin(k ■ h-cose).

(4)

выпуклых поверхностей и синтезированной геометрически сложной поверхности (рис. 15) показало, что КУ повышается на величину порядка 2 дБ при увеличении неравномерности ДН на 0.5 дБ.

Рис. 15. Внешний вид синтезированной поверхности

Сохраняя форму крыши объекта-носителя, но изменяя конфигурацию самой антенны, используя генетический алгоритм, синтезировали квазикольцевую замкнутую антенну, компенсирующую искажения, вносимые в ДН корпусом подвижного средства (рис. 16).

антенна № 1 антенна №2

Рис. 16. Внешний вид синтезированных квазикольцевых антенн

Синтезированные антенны позволили уменьшить неравномерность ДН в горизонтальной плоскости на 2 дБ при сохранении КУ. На рис. 17 и рис. 18 приведены развернутые графики неравномерности излучения для синтезированных антенн №1 (кривая 1) и №2 (кривая 2) в сравнении с

замкнутой кольцевой антенной на объекте-носителе (кривая 3) и с той же антенной в свободном пространстве (кривая 4). Оценка неравномерности проведена для крайних частот диапазона 30 60 МГц.

V—

\ \/ / ЧЛ^

дБ 3 2

-2

.....! " " 1 -3 ч

град.

-200 -150 -100 -50 о 50 100 150 200

.200 -150 -100 -50

50 100 150 200

Рис. 17. Неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частоте 30 МГц

Рис. 18. Неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частоте 60 МГц

Таким образом, изменение конфигурации кольцевой антенны позволило компенсировать отрицательное влияние корпуса автомобиля «Газель» на форму ДН кольцевой антенны и позволило повысить равномерность излучения в горизонтальной плоскости.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Проведен подробный экспериментальный и теоретический анализ кольцевой УКВ-антенны. Антенну отличает малая высота расположения над объектом установки. Действие антенны основано на активном вовлечении в процесс излучения радиоволн электрических токов, наведенных на металлических стенках объекта. При установке различных вариантов кольцевой антенны на автомобиль «Газель» экспериментально исследованы:

- импедансные характеристики;

- распределение высокочастотно тока возбуждения по периметру антенны;

- коэффициент усиления;

- диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- качество и дальность УКВ-связи между подвижными объектами.

Измерения проведены в диапазоне частот 30 60 МГц и сопоставлены с характеристиками применяемых в настоящее время вибраторных антенн. Опытным путем доказана эффективность маловыступающих кольцевых антенн по большинству технических характеристик.

2. Предложена и исследована конструкция кольцевой антенны с параллельно - последовательным включением реактивностей, позволяющая уменьшить неравномерность частотной характеристики антенны в полосе, равной октаве.

3. Разработана и исследована математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой антенны при расположении ее в свободном пространстве, над плоским идеально проводящем экраном, над металлической полусферой, установленной на бесконечном металлическом экране. Аналитическое описание выполнено в рамках традиционной электродинамической задачи дифракции.

4. Разработан метод синтеза и анализа кольцевой антенны при размещении внутри антенны различных по конфигурации неоднородностей. В рамках моделирования выбрана оптимальная конфигурация неоднородности. Методом ЗО-моделирования выполнен поиск топологии крыши подвижного объекта, на котором размещается кольцевая антенна. Полученная синтезированная генетическим алгоритмом геометрия поверхности крыши существенно отличается от стандартной крыши подвижного объекта (автомобиль «Газель»), что позволило получить почти круговую ДН (отклонение от идеальной диаграммы не более ±1 дБ) и повышенный на 2 дБ КУ кольцевой антенны.

5. Предложена и исследована конструкция замкнутой «кольцевой» антенны, которая при установке на стандартной крыше автомобиля «Газель» заметно компенсирует неравномерность ДН, присущую чисто круговой кольцевой антенне и вызванную дифракцией поля на углах корпуса «Газели».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Зотов, В.Е. Экспериментальное исследование антенны Бойера, размещённой на выпуклом объеме [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2011- Т.7.-№9. С.139-141.

2. Зотов, В.Е. Экспериментальное исследование двойной кольцевой антенны [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012.- Т.8.- №12-1-С.28-30.

3. Зотов, В.Е. Испытание замкнутой кольцевой антенны для мобильной связи на реальном объекте [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -

2012,- Т.8.- №2,- С.38-40.

4. Зотов, В.Е. Повышение эффективности кольцевой антенны введением выпуклой поверхности [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -

2013.-Т.9.-№4- С.15-17.

5. Зотов, В.Е. Поле кольцевого источника с гармоническим возбуждением по периметру [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013,- Т.9.-№1.— С.55-57.

Статьи и материалы конференций

6. Зотов, В.Е. Исследование замкнутой кольцевой антенны для УКВ-диапазона на модели мобильного объекта [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // 2011 International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON. Proceedings - Красноярск : Сибирский федеральный университет. - 2011, - С.465-467. - ISBN 978-1-4577-1069-8.

7. Зотов, В.Е. Экспериментальное исследование сдвоенной антенны Бойера с фазированием тока по периметру [Текст] / В. Е. Зотов // материалы XVIII Междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь»: - Воронеж 2012,- Т.1.- С.974-979.

8. Зотов, В.Е. Экспериментальное исследование сдвоенной антенны Бойера с фазированием тока по периметру [Тез.]/ В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: СФУ, 2012. - С. 274-277.

9. Экспериментальное исследование низкопрофильных кольцевых УКВ антенн для мобильной связи [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // материалы XIX Междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж 2013.-Т.2.-С.830-840.

10. Зотов, В. Е. УКВ кольцевая антенна для мобильной связи [Электронный ресурс] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин. - Saarbrücken : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013,- 59 с. - ISBN 978-3-659-35847-0.

11. Зотов, В.Е. Синтез конфигурации кольцевой антенны, учитывающей влияние корпуса носителя [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин //2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings - Krasnoyarsk : Siberian Federal University- 2013- ISBN 978-1-4799-1060-1.

Подписано в печать 05 марта 2014. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 19 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский проспект., 14

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ЗОТОВ ВЛАДИСЛАВ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МАЛОВЫСТУПАЮЩАЯ КОЛЬЦЕВАЯ АНТЕННА ДЛЯ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ В УКВ ДИАПАЗОНЕ

05.12.07 - «Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Юдин Владимир Иванович

Воронеж 2013

Содержание

Основные термины и условные сокращения...............................................................5

Введение...........................................................................................................................6

Глава 1. Состояние вопроса разработки маловыступающих антенн в нижней части УКВ диапазона......................................................................................12

1.1 Особенности подвижной связи в УКВ диапазоне......................................12

1.2 Слабонаправленные маловыступающие антенны УКВ диапазона...........13

1.3 Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн... 18

1.4 Физические принципы действия кольцевой маловыступающей УКВ антенны...................................................................................................................20

1.4.1 О роли тока смещения в формировании излучения антенны (на примере симметричного вибратора)...............................................................20

1.4.2 Токи смещения в пространстве, окружающем кольцевую антенну... 21

1.4.3 Токи смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) металлическим экраном....................................................................................23

1.4.4 Токи смещения при установке КА над вогнутым металлическим экраном...............................................................................................................24

Выводы...........................................................................................................................26

Глава 2. Экспериментальное исследование маловыступающих кольцевых УКВ антенн для мобильной связи...............................................................................27

2.1 Влияние выпуклой поверхности экрана на эффективность излучения кольцевой антенны................................................................................................27

2.2 Замкнутая кольцевая антенна........................................................................35

2.2.1 Экспериментальное исследование замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте, в линии УКВ радиосвязи...............37

2.2.2 Экспериментальное измерение диаграммы направленности замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте........................40

2.3 Экспериментальное исследование двухэлементной кольцевой антенны. 46

2.4 Кольцевая антенна с фазированием тока возбуждения по ее периметру . 51 Выводы...........................................................................................................................59

Глава 3. Теоретическое исследование и математическое моделирование кольцевой антенны, установленной на подвижном объекте....................................61

3.1 Излучение кольцевой антенны в свободном пространстве........................61

3.1.1 Кольцевой источник с равномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру......................................61

3.1.2 Кольцевой источник с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру......................................66

3.2 Излучение кольцевой антенны, расположенной на металлической сфере70

3.2.1 Дифракция плоской волны на сфере......................................................73

3.2.2 Радиальный электрический диполь над сферой...................................76

3.2.3 Четвертьволновый радиальный вибратор над сферой.........................78

3.2.4 Тангенциальный электрический диполь над сферой...........................84

3.2.5 Кольцевая антенна на сфере...................................................................86

3.3 Моделирование излучения кольцевой антенны на реальном объекте......92

3.3.1 Моделирование замкнутой кольцевой антенны, установленной на плоском экране..................................................................................................92

3.3.2 Моделирование замкнутой кольцевой антенны, установленной на крыше автомобиля «Газель»............................................................................95

3.4 Влияние выпукло-вогнутых поверхностей, вносимых в кольцевую антенну, на эффективность излучения................................................................96

3.4.1 Выпуклая поверхность геометрически простой формы внесенная в кольцевую антенну............................................................................................96

3.4.2 Синтез оптимальной формы выпуклой поверхности, улучшающей параметры кольцевой антенны......................................................................105

3.4.3 Анализ влияния вогнутой поверхности...............................................108

3.5 Синтез конфигурации кольцевой антенны, учитывающей влияние корпуса

носителя................................................................................................................111

Заключение..................................................................................................................118

Список литературы.....................................................................................................120

Основные термины и условные сокращения

УКВ - ультракороткие волны

ДН - диаграмма направленности

КУ - коэффициент усиления

КПД - коэффициент полезного действия

DDRR - Direct driven ring radiator (кольцевой источник с прямым подключением)

КСВ - коэффициент стоячей волны КБВ - коэффициент бегущей волны

AMPS - Advanced Mobile Phone Service (усовершенствованная подвижная телефонная служба)

NMT - Nordic Mobile Telephone (первая полностью автоматическая система сотовой связи)

GSM - Global System for Mobile Communications (глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи)

CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым разделением)

КА - кольцевая антенна

МКИ - метод конечного интегрирования

FDTD - метод конечных разностей во временной области

Введение

Актуальность темы. Мобильная связь в УКВ диапазоне получила в настоящее время очень широкое применение в самых различных сферах жизни человека. Оперативная работа многих гражданских служб невозможна без надежной и устойчивой радиосвязи между служебными машинами и центральным диспетчерским пунктом. Без УКВ радиосвязи нельзя представить эффективное взаимодействие войсковых подразделений при проведении военных операций.

В зависимости от назначения к мобильной системе связи предъявляются различные требования. Что касается антенн, то, для мобильной УКВ-связи требования сводятся к следующим:

1) круговой ненаправленный характер излучения в горизонтальной плоскости;

2) вертикальная поляризация излучаемого поля;

3) неизменность основных характеристик антенны во время движения мобильного объекта-носителя.

Пока указанные требования ставились не слишком жестко, подвижная УКВ радиосвязь довольно успешно поддерживалась с помощью обычных вибраторных антенн.

Наряду с преимуществами вибраторные антенны обладают целым рядом недостатков. Так, например, длина вибратора на нижних частотах УКВ диапазона равна нескольким метрам, что значительно затрудняет прохождение объекта по пересеченной местности и на территории населенных пунктов. При изгибании антенны непрерывно изменяется согласование её с питающим фидером, при этом искажается диаграмма направленности (ДН), что приводит к уменьшению устойчивости связи.

Возникает необходимость поиска антенн, способных выполнять все поставленные перед УКВ связными мобильными антеннами задачи, а также

обладающих малой высотой возвышения над поверхностью установки и жесткой конструкцией.

Для обеспечения высокой проходимости по пересеченной местности и малой заметности антенны при установке на мобильном объекте, необходима новая маловыступающая антенна с характеристиками, незначительно уступающими аналогичным характеристикам четвертьволнового вибратора. Примером маловыступающей антенны, заслуживающей внимания, является кольцевая антенна Бойера, первое сообщение о которой появилось более полувека назад. Явными преимуществами маловыступающей антенны по сравнению с вибраторной становятся постоянство характеристик во время движения автомобиля, отсутствие раскачивающихся элементов конструкции при движении, малая высота подвеса над крышей объекта. Геометрические параметры позволяют скрыть антенну под радиопрозрачным материалом и придать конструкции эстетичный внешний вид.

Значительный вклад в разработку и исследование конструкций маловыступающих кольцевых антенн внесли J. Boyer, W. Blackband, R. Burton и R. King, К. Patterson, К. Britain, W. English, В. Quednau, В. Слюсар. Заметный вклад в математический анализ внесли L. Licking, G. Zhou, Т. Wu, R. Li, J. Laskar, D. Werner, P. Overfelt, R. Dome, V. Stoiljkovic, A. Ellrick, J. Storer, S. Moorthy, K. Ротхаммель, 3. Беньковский, W. Eichenauer и другие.

Однако, существующие результаты исследований не содержат полной информации о целом ряде характеристик кольцевой антенны. Поэтому продолжение этих исследований, доведение их до уровня, дающего более полное понимание физики работы кольцевой антенны и её модификаций, является актуальной научной и технической задачей.

Цель и задачи исследования - теоретическое и широкое экспериментальное исследование маловыступающей антенны кольцевого типа, предложение конструкции антенны, максимально привлекающей к участию в процессе излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на

корпусе носителя и компенсирующей дифракционные искажения диаграммы направленности антенны.

Достижение поставленной цели основано на решении следующих задач:

1) Анализ путей повышения эффективности, и разработка метода оптимизации характеристик кольцевой антенны, установленной на объекте-носителе.

2) Экспериментальное исследование и сравнение эффективностей вибраторной антенны, используемой в подвижной связи на УКВ, и кольцевой антенны при расположении их на корпусе подвижного объекта.

3) Синтез конфигурации антенны, установленной на реальном объекте-носителе, корректирующей дифракционную составляющую поля, искажающую форму диаграммы направленности излучения.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались элементы теории электромагнитного поля, теория математического моделирования, теория дифракции, ЗБ - моделирование на ЭВМ, методы автоматического проектирования, а также экспериментальные классические методы антенных исследований.

Научная новизна работы.

1) Разработана и исследована математическая модель описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой УКВ антенны с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по её периметру.

2) Разработан метод повышения эффективности кольцевых антенн, позволяющий привлечь к процессу излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на стенках объекта-носителя.

3) Предложен и исследован метод фазирования тока вдоль кольцевой антенны увеличенного периметра.

4) Разработана методика синтеза и анализа кольцевых антенн разных вариантов построения, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемой антенны с учетом дифракционных искажений на корпусе объекта-носителя.

Практические результаты диссертации, достигнутые в процессе выполнения научных исследований:

1) опытное доказательство эффекта увеличения коэффициента усиления кольцевой антенны за счет активного вовлечения в процесс излучения токов, наведенных на отвесных участках боковых стенок корпуса подвижного объекта и искусственно введенных металлических неоднородностей;

2) новая кольцевая антенна с максимальным размером диаметра и способ ее настройки путем изменения последовательно и параллельно включенных реактивностей;

3) расширенный перечень технических и эксплуатационных параметров кольцевой антенны, измеренных экспериментально при расположении антенны на реальном подвижном объекте в естественных условиях работы на линии связи;

4) способ коррекции диаграммы направленности излучения кольцевой антенны выбором топологии выпуклой крыши подвижного объекта и конфигурации квазикруговой геометрии антенны.

Положения, выносимые на защиту.

1) Математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой антенны учитывающая неравномерный характер распределения высокочастотного тока возбуждения по периметру антенны.

2) Результаты расширенных экспериментальных исследований параметров кольцевой антенны (коэффициента усиления, направленности излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, входного сопротивления, коэффициента бегущей волны), установленной на мобильном объекте.

3) Результаты экспериментальных исследований влияния на направленные свойства кольцевой антенны геометрической формы реальной поверхности мобильного объекта.

4) Метод синтеза и анализа кольцевых антенн и объекта-носителя, обеспечивающий максимальную равномерность диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости.

Внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работы в виде конструкций кольцевых антенн и способа повышения эффективности антенн внедрены на предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва).

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были опубликованы, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- XVIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2012);

- XIX Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2013);

- IX Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2011 (г. Красноярск, 2011);

- X Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2013. (г. Красноярск, 2013);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященная 117-й годовщине Дня радио (г. Красноярск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, включая 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК России для опубликования научных результатов диссертации, и 5 публикации тезисов и докладов. Опубликована монография по теме «УКВ кольцевая антенна для мобильной связи».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 127 страниц, включая 112 рисунков, 4 таблицы, и библиографию из 82 наименований, из которых работы автора составляют 11 наименований.

Содержание глав диссертации.

Первая обзорная глава посвящена особенностям подвижной связи в УКВ диапазоне и существующим конструкциям маловыступающих антенн УКВ диапазона. Рассмотрены физические принципы действия предложенной

кольцевой антенны, особое внимание уделено роли тока смещения в формировании поля излучения маловыступающей антенны.

Во второй главе представлены данные, полученные в ходе экспериментального исследования:

- влияния выпуклой поверхности экрана на эффективность антенны Бойера;

- характеристик замкнутой кольцевой антенны;

- антенны, расположенной на подвижном объекте;

- характеристик двухэлементной кольцевой антенны;

- характеристик кольцевой антенны с фазированием тока возбуждения по периметру;

- кольцевой антенны с комбинированной настройкой по диапазону.

В третьей главе диссертации представлены математические выкладки, описывающие поле кольцевого источника в различных условиях:

- при равномерном распределении возбуждающего тока по периметру антенны;

- при неравномерном распределении возбуждающего тока.

Представлены математические выкладки описывающие поле кольцевой

антенны при расположении ее над идеально проводящей полусферой, находящейся на заземленном металлическом экране.

В главе выполнен синтез формы выпуклой поверхности, установки антенны позволяющей оптимизировать параметры антенны:

- рассмотрено влияние на неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости формы выпуклой поверхности установки кольцевой антенной;

- синтезирована конфигурация квазикольцевой замкнутой кольцевой антенны, компенсирующая искажения, вносимые в ДН корпусом подвижного объекта.

Глава 1. Состояние вопроса разработки маловыступающих антенн в

нижней части УКВ диапазона

1.1 Особенности подвижной связи в УКВ диапазоне

Подвижная связь получила чрезвычайно широкое развитие в XX веке, особенно в его последней четверти. Оно началось с создания систем, обслуживающих нужды полиции и муниципальных служб, а также различные производственные нужды [1].

За прошедшие десятилетия наземная подвижная связь прошла несколько этапов развития от внедрения в подвижную связь частотной модуляции (1940 г.); через внедрение первых систем абонентского доступа (1975 г.) и внедрение сотовых аналоговых систем подвижной связи с высокой эффективностью использования выделенной полосы частот (1979 г. - AMPS; 1981 г. - NMT-450) до внедрения цифровых систем подвижной связи (1992 г. - GSM; 1995 г. - CDMA).

Системы мобильной связи УКВ диапазона могут использоваться как в гражданских, так и в военных целях. Основными требованиями к подвижным системам связи являются [2]:

• ненаправленный характер излучения антенны;

• неизменность основных характеристик антенны во время движения мобильного объект