автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Проектирование сверхширокополосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений структуры измеряемого поля

На правах рукописи

005006885

НЕГРОБОВ Владимир Владимирович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРИЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ДИФРАКЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ СТРУКТУРЫ ИЗМЕРЯЕМОГО ПОЛЯ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их

технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

|1 2ЯНВ2012

Воронеж-2011

005006885

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пастернак Юрий Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Климов Александр Иванович;

кандидат технических наук, доцент Останков Александр Витальевич

Ведущая организация ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж)

Защита состоится 09 февраля 2012 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 30 декабря 2011 г.

Ученый секретарь //

диссертационного совета [А/Т/ Макаров О. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важных направлений развития современных радиотехнических систем является совершенствование аппаратных и программных средств, предназначенных для приема и обработки сигналов в сверхширокой полосе частот. Это не только системы военного и специального назначения - радиолокации, радиопеленгации, радионавигации, связи и телекоммуникации, но и портативная аппаратура телекоммуникации гражданского применения — мобильные телефоны, радиомодемы доступа в Интернет, персональные компьютеры (стандарты LTE, UWB и др.).

Для приема сигналов в сверхширокой полосе частот используются различные типы антенн. Антенны Вивальди, ТЕМ- рупоры, вибраторы с плечами конической или полукруглой формы могут в малой степени искажать временную структуру принимаемых сигналов; однако антенные решетки, составленные из этих элементов, могут в сильной степени искажать пространственное распределение электромагнитного поля.

Тонкие вибраторные элементы и решетки, составленные из них, широко используются в аппаратуре радиоконтроля, несмотря на то, что подобные антенны могут сильно искажать временную структуру принимаемых сигналов. Аналогичная проблема возникает и с антенными системами современных мобильных телефонов, часто сформированными из F- антенных элементов в печатном исполнении.

Серьезной проблемой, в существенной степени затрудняющей использование современных методов обработки принимаемых сигналов (в частности, методов пространственного сверхразрешения источников радиоизлучения), является искажение пространственной структуры поля корпусом мобильного (или бортового) носителя антенной системы, а в случае портативной аппаратуры -телом пользователя (мобильный телефон).

В работах крупнейших специалистов по обработке сигналов в приемных антенных системах: Tuncer Е., Friedlander В., Chandran S., Belloni F., Pesavento M. и др., описано множество подходов и методов калибровки приемных антенных решеток; тем не менее, не во всех радиотехнических системах возможно использование этих достаточно сложных и трудоемких процедур. В частности, проведение процедуры калибровки принципиально невозможно в мобильном телефоне; геометрия и материальные свойства мобильных и бортовых носителей приемных антенных систем могут изменяться в процессе эксплуатации, следствием чего является необходимость частого повторения данной дорогостоящей и трудоемкой процедуры.

Поэтому актуальным является создание и исследование сверхширокополосных антенных решеток, пригодных для использования в современных аппаратно-программных комплексах приема и обработки сигналов в стационарном, мобильном (или бортовом), а также в портативном исполнении; весьма актуальной задачей является создание и исследование методов автокалибровки сверхширокополосных приемных антенных систем без использования

какой-либо информации о геометрии и материальных свойствах их носителей (или пользователей).

Обозначенные обстоятельства обусловливают актуальность темы настоящего исследования, выполненного в ходе ряда госбюджетных НИР кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с одним из основных научных направлений «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Объектом исследования являются сверхширокополосные приемные антенные системы для стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, а также портативной аппаратуры телекоммуникации.

Предметом исследования являются дифракционные искажения поля, вносимые приемной антенной системой и ее носителем, а также методы их компенсации на основе формирования «виртуальной» антенной решетки или калибровки приемной антенной системы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являются' развитие и исследование методов аппроксимации электромагнитного поля вблизи приемной антенной системы, не требующих априорной информации о геометрии и материальных свойствах ее носителя, а также разработка и исследование приемных сверхширокополосных антенных систем с учетом дифракционных искажений измеряемого поля их элементами.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задан:

- проведения анализа современного состояния и выявления проблем в области создания сверхширокополосных приемных антенных систем стационарного, мобильного (бортового) и портативного базирования;

- развития и исследования методов формирования «виртуальных» антенных решеток, обладающих повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля с помощью приемной антенной системы, расположенной на корпусе носителя и вблизи тела пользователя;

- разработки и исследования сверхширокополосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений, вносимых в измеряемое поле;

- экспериментального исследования созданных сверхширокополосных антенн и разработки методики их проектирования с учетом технологических особенностей производства.

Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, вычислительные методы электродинамики, методы математического моделирования, методы экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика определения области и условий применения методов формирования «виртуальных» антенных решеток, отличающаяся переходом от анализа исходной трехмерной электродинамической задачи рассеяния волн на «реальной» антенной системе и корпусе ее носителя к эквивалентной двумерной

задаче, и дающая возможность аналитически описать распределение поля на плоскости, проходящей через центры антенных элементов;

- разработан и исследован метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения и обладающий повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля реальной приемной антенной системой;

- разработана методика синтеза и анализа полосковых антенных элементов, построенных на основе неоднородной щелевой линии с нагрузкой в виде симметричного вибратора с плечами эллиптической формы, позволяющая создавать кольцевые и линейные антенные решетки, функционирующие в полосе частот с коэффициентом частотного перекрытия, достигающего 3;

- разработана методика синтеза и анализа сверхширокополосных антенных систем с коммутационным сканированием, построенных на основе плоских модификаций линзы Люнеберга, отличающаяся возможностью создания многолучевых сверхширокополосных антенн с диаграммами направленности (ДН) игольчатого вида, ориентированными в азимутальной плоскости.

Практическая значимость работы заключается в создании антенных систем и математического обеспечения, позволяющих значительно повысить точностные характеристики и характеристики разрешения по угловым координатам радиопеленгаторных комплексов мобильного базирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», а также Воронежского института правительственной связи (филиала) академии ФСО РФ (г. Воронеж).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- выяснено, что исследованные и разработанные методы аппроксимации пространственного распределения поля применимы для значений отношения радиусов «виртуальной» и «реальной» антенной решеток, вплоть до 2ч-3 - для мобильных (или бортовых) носителей и до 1.5-гЗ - для мобильного телефона, находящегося вблизи головы пользователя, при числе элементов «реальной» антенной решетки от 7 до 18;

- метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения, в которой число используемых вспомогательных источников поля не равно числу элементов «реальной» антенной решетки, построенной на основе минимизации целевой функции, аргументами которой являются комплексные амплитуды вспомогательных источников;

- методика построения сверхширокополосных приемных линейных антенных решеток, основанная на использовании элементов в виде неоднородной щелевой линии, нагруженной на симметричный вибратор с плечами эллиптической формы, или сверхширокополосных вибраторов специальной формы, размещенных над проводящим экраном, позволяющая существенно ослабить взаимное влияние элементов решетки на их направленные свойства и входное со-

противление;

- методика построения сверхширокополосных приемных антенных структур с коммутационным сканированием или многолучевым режимом диаграммо-образования в азимутальной плоскости, основанная на возбуждении усеченного биконуса, а также ТЕМ - рупоров или антенн Вивальди, с помощью плоской линзы Люнеберга.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2009), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2010), XVI Международной научно-технической конференции «Инноватика 2011» (Сочи, 2011), IV Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (Суздаль, 2011), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009 — 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 10 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 4, 6, 10, 11, 16] - проведение численных экспериментов, математическое моделирование; [3, 8, 12] - поиск и предварительный анализ публикаций; [5] - разработка методики проведения исследования; [7, 9, 13, 15] -изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний; [14] - разработка сверхширокополосных печатных антенн.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах, содержит 89 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния в области создания сверхширокополосных приемных антенных систем стационарного, мобильного (бортового) и портативного базирования. Показано, что существует потребность в развитии электродинамических методов формирования «виртуальных» антенных решеток и в создании новых методов, более устойчивых к погрешностям измерения комплексных амплитуд поля. Сделан вывод о необходимости учета дифракционных искажений поля, вносимых сверхширокополосной антенной системой в наблюдаемое поле, путем создания процедуры ее адекватной калибровки.

Вторая глава посвящена исследованию и развитию методов аппрокси-

мации пространственного распределения поля вблизи произвольного рассеива-теля (носителя антенной решетки (АР) в случае мобильного или бортового базирования; тела пользователя в случае портативного базирования в устройствах связи), для функционирования которых не требуется априорного знания геометрии и материальных свойств рассеивателя. Полученные в ходе процедуры аппроксимации отсчеты поля трактуются как элементы «виртуальных» антенных решеток (ВАР), позволяющих существенно повысить точность пеленгования и разрешающую способность по координатам в случае использования в радиопеленгаторах либо сформировать дополнительные «виртуальные» каналы приема информации для повышения помехоустойчивости системы в случае использования в портативных устройствах связи.

Исследуемые методы базируются на гипотезах о возможности представления поля на контуре АР с помощью теории методов аналитических функций комплексного переменного 2 = х + 1- у, в частности, интеграла Коши или ряда Лорана. При этом амплитудно-фазовое распределение поля на элементах антенной решетки можно рассматривать как отсчеты и„ = и(д>п) {<рп =2п(п-\)!N, п = 1,2,...,Лг) периодической функции и{<р) с периодом 2л, описывающей непрерывное распределение поля по окружности радиуса Я (где Я - радиус антенной решетки), взятые через промежутки 1/(2.р) (где Г = 1/(4л-/Л')). В свою очередь, функцию II{(р) можно представить в виде ряда

Котелышкова: и(<р)= У И „ - ^. Далее используется разложение

функции иА1,{г) = и{(р) в кольце 11-8<г<Я + 8 (где 8« Я) в ряд Лора-

на:иАР(г)= где ск = - —|■ После этого находятся производные

к=-0О г £

функции иАе(г) в радиальных направлениях д11{<р,г)/дг, д2и(<р,г)/дг2 и т.д., и оцениваются значения функции и ВЛР{(р,Я +1) с помощью отрезка ряда Тейлора:

иьл1{(р, и(<р, к)+1 • дь\щ г)1дг+ом; +...

С помощью данных натурных измерений мобильного радиопеленгатор-ного комплекса, произведенного ЗАО «ИРКОС», установлено, что использование ВАР с радиусом и числом элементов в 2^3 раза большим, чем у реально существующей антенной решетки, позволяет существенно (в 3-4 раза) снизить систематическую ошибку пеленгования в диапазоне частот от 40 до 170 МГц. При этом устраняются грубые ошибки определения направления на источник радиоизлучения (ИРИ), вызванные собственными резонансами носителя (микроавтобуса).

Однако описанные выше подходы применимы лишь в случае достаточно малых электрических размеров области, где формируется ВАР.

Другие методы следуют непосредственно из принципов электродинамики. В частности, из леммы Лоренца, согласно которой, возможно вычислить все

составляющие поля в объеме V, ограниченном замкнутой поверхностью 5, если на данной поверхности известны касательные компоненты поля. Скалярным аналогом леммы Лоренца является выражение для интеграла Кирхгофа, которое позволяет вычислить поле в любой точке объема V, если на ограничивающей данный объем замкнутой поверхности 5 известны значения поля и его нормальной производной.

Если в качестве поверхности 51 рассматривать полную поверхность цилиндра, внутри которого расположены центры антенных элементов, и устремить высоту данного цилиндра к нулю, можно перейти от объемной задачи к плоской. При этом в качестве скалярной функции Грина свободного пространства следует использовать H'0(z)=J0(z)+iN0{z) - функцию Ганкеля первого рода нулевого порядка.

Показано, что возможно представление амплитудно-фазового распределения на элементах реальной АР с помощью выражения:

Е» = Е,(*.,у,)= ± Вт ■ (я4{х, - х1 У + (у. - у1 У )) где хл,уя\ « = 1,2,..^ -координаты Л-элементной АР; х',,у''т ; т = \,1,...,М - координаты М точечных вспомогательных источников; В = [В1,В2,...,Ви] - вектор комплексных амплитуд вспомогательных источников; Мп т = ~хчтУ +(у„ - учтУ | - матрица N х М, элементы которой зависят от частоты и значений координат элементов антенной решетки и вспомогательных точечных источников; к0 = 2тт/А - волновое число свободного пространства; Л - длина волны в свободном пространстве. В данном случае N-М, следовательно, матрица квадратная.

Проведено развитие метода вспомогательных источников, который использует квазирешение. Модифицированный метод отличается от обычного тем, что число вспомогательных источников М не привязано к числу элементов физически существующей антенной решетки N. Поэтому в процессе функционирования метода ищется не точное решение системы линейных алгебраических уравнений, а вектор, который минимизирует невязку целевой функции (т.е. квазирешение): М-В-Е = 0, Мпт- прямоугольная матрица /Ух Л/. Для решения поставленной задачи использовался алгоритм Левенберга-Маркардта.

Выяснено, что модифицированный метод обладает повышенной устойчивостью к погрешностям определения комплексных амплитуд на элементах АР, до ±5° для измеренных значений фаз и до ±1.5 дБ для измеренных значений амплитуд, возникающих из-за несовершенства приемной аппаратуры и действия шумов. При этом модифицированный метод пригоден для использования в более широкой полосе частот, чем обычный. Используя данные натурных измерений мобильного радиопеленгаторного комплекса, произведенного ЗАО «ИРКОС», удалось выяснить, что полезный эффект от применения модифицированного метода наблюдается в диапазоне частот от 40 до 220 МГц. При этом среднеквадратическая ошибка пеленгования снижается в 2.85 раза относитель-

но случая, когда ВАР не используется. Обычный метод аппроксимации поля, не использующий процедуру квазирешения, является пригодным лишь в диапазоне частот от 40 до 160 МГц.

Проведено исследование обычного и модифицированного методов формирования ВАР на инвариантность к изменению геометрии носителя: появлению под антенной решеткой или в непосредственной близости от нее люка резонансных размеров в крыше носителя (микроавтобуса). Полученные зависимости пеленгов для случая прихода волны с азимута 60 градусов представлены на рис. 1 (радиус ВАР в 2.8 раза больше радиуса физически существующей АР). Точками обозначены пеленги, полученные только с использованием реальной АР, пунктирными линиями - с использованием обычного метода формирования ВАР, сплошными - модифицированного.

w 80 70 60 50 1>„а. ^......

V ч-

ТО /.ГГц

•4* -V--------1—s—f — . ...

J ' "" :\ / ЛГ

Г. ГГц

100 125 150 175 200 225

а) б)

Рис. 1. Иллюстрация выигрыша метода с квазирешением и его же инвариантности к геометрии носителя, <рэш = 60°: а) люка нет; б) люк под АР Проведены исследования по определению степени применимости методов формирования ВАР для портативных средств связи (мобильных телефонов).

При исследованиях использовались модели, изображенные на рис. 2. Е- компонента электромагнитного поля (ЭМП) регистрировалась в 18 точках, расположенных на окружности с радиусом RAK =15 мм вблизи поверхности телефона. Кроме того, на радиусах в 1,5, 2, 3, 4 раза больших располагались точки, в которых фиксировалась фазовая структура поля для дальнейшего сравнения с аппроксимированными. В ходе исследований рассматривались случаи прихода фронта электромагнитной волны со стороны лица и затылка пользователя, при этом Е-компонента ЭМП была горизонтально ориентирована. Исследования проводились в диапазоне частот от 800 до 2000 МГц, включающем в себя частоты стандартов связи GSM 900 и GSM 1800.

При этом для каждого значения частоты формировалась целевая функ-

где иг(х,у,г)=±В. .«PfciA^) - по-

Рис. 2. Исследуемые модели

пв =£

и J B;x™';y™;z™

ле вспомогательных источников; Вт = Ьт' + / • Ъ " - комплексные амплитуды вспомогательных источников; гт - расстояние между точкой вспомогательного источника ;у""г";) и точкой наблюдения (х;у;г); и""' - комплекс-

ные амплитуды на элементах реальной АР с координатами (х""'; yr*"'\z*"'1

Для

данной целевой функции отыскивались значения Вт = b+ г ■ Ь^, при которых наблюдался бы ее минимум. Далее полученные значения Вт использовались для аппроксимации фазовой структуры поля в точках расположения «виртуальных» антенных элементов.

Было выяснено, что использование модифицированного метода позволяет устранить грубые ошибки предсказания фазы, которые имеют место при использовании обычного метода, рис. 3. Кроме того, использование модифицированного метода позволяет относительно успешно предсказывать фазовую структуру наблюдаемого поля на расстояниях, до 3-х раз превышающих исходный радиус в 15 мм. При этом максимальная ошибка не превышает 30° для диапазона GSM 900 при радиусе R: =45 мм и 45° для GSM 1800 при радиусе Rt =22,5мм. Средняя ошибка при этом не превышает 14° и 16°, соответственно., Следует отметить, что для аппроксимации поля использовалась информация всего лишь двух или трех вспомогательных источников.

-90 -100 -110 -120 -ПО -140 -ISO -160

ч>, -90 -100 -110 -120 -130 -140 -150 4>к,

><

1

>

1 > Щ

-Н >

К К

2 3 5 6 7 1 11 12 13 4 15 16 1718 1 2 5 6 7 9 10 II 1213 14 15 16 17 18

а) б)

Рис. 3. Значения фаз в точках на радиусе й, = 22,5 мм при/ = 900 МГц: а) обычный метод; б) модифицированный метод (кружки - значения фаз, полученные в ходе численного эксперимента; ромбики - аппроксимированные)

В третьей главе рассмотрена возможность оптимизации процедуры калибровки стационарной АР, а также приведено описание исследований разработанных сверхширокополосных элементов, выполненных по технологии производства печатных плат.

С использованием данных численного моделирования и натурных измерений установлено, что возможно полное устранение ошибки пеленгования при использовании интерференционно-корреляционного метода определения направления на ИРИ с учетом формирования базы данных эталонных сигналов на элементах радиопеленгаторной антенной решетки с большим шагом и последующей интерполяцией полученных отсчетов рядом Котельникова. Исследования проводились в рабочем диапазоне частот нижней литеры радиопеленгаторной антенной решетки (100-150 МГц).

ной антенной решетки (100-150 МГц).

Исследована возможность создания сверхширокополосных печатных антенных элементов, выполненных в виде симметричного вибратора с плечами эллиптической формы, рис. 4а, и гибридного элемента, рис. 4в, представляющего собой неоднородную щелевую линию, нагруженную на симметричный вибратор с плечами эллиптической формы; также составленных из них двухэлементных линейных горизонтальных антенных решеток (рис. 46, г).

Рабочий диапазон частот разработанных антенн составил 3+8 ГГц. Установлено, что одиночные элементы характеризуются значениями коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) уровня а) б) в) г) 1.5-2.5 (вибраторные элемен- РисА Топология печатных элементов (а, в); ты) и 2.5-3 (гибридные эле- линейные антенные решетки (б, г) менты). В составе решеток значения КСВН составили 2.5-3. Зависимости ко-

Рис.5. Зависимости КУ для одиночных (пунктирные линии) и в составе АР (сплошные линии) вибраторов (а) и гибридных элементов (б) Проведено исследование влияния подстилающей поверхности в виде листа идеального проводника, расположенной под гибридным антенным элементом, на вид ДН в вертикальной плоскости. Выяснено, что для достижения удовлетворительной формы диаграммы направленности (наличия ярко выраженного главного лепестка, лежащего в азимутальной плоскости, рис. 6) необходимо наличие над проводящей поверхностью слоя из радиопоглощающего материала толщиной 100 мм (ег = 1.1, tgд = 0.2 ). На рис.6: пунктирные линии -ДН без поглотителя; сплошные - с поглотителем.

Проведено исследование качества функционирования пеленгаторной АР полноазимутального обзора (рис. 7), составленной из 7 пар гибридных элементов, размещенной над листом идеального проводника и слоя поглотителя, при определении направления на ИРИ с вертикальной поляризацией излучаемой электромагнитной волны. Пеленг на источник определялся как (рпа = агс5т( АФ/к0 ■ г), где дф = ф. - ф2 - разность фаз комплексных напряже-

II И

га

ний, снятых с элементов линейной подрешетки; г - расстояние между элементами линейной подрешетки; - волновое число свободного пространства.

Рис.6. ДН в вертикальной плоскости гибридного элемента, расположенного над подстилающей поверхностью: а) при / = ЪГГц\ б) при / = 8ГГц

В полосе частот от 3 до 8 ГГц максимальная ошибка пеленга составила 30 градусов, что свидетельствует о необходимости проведения калибровки данной пеленгаторной антенной решетки. Однако, учитывая то, что АР состоит из линейных подрешеток, т.е. у каждой пары антенных элементов на любой частоте расстояние между фазовыми центрами будет одинаковым, калибровку можно осуществлять по упрощенной процедуре, описанной выше.

Четвертая глава посвящена разработке методики построения и исследования сверхширокополосных приемных антенных структур с коммутационным сканированием или возможностью формирования многолучевой диаграммы направленности по азимутальной координате.

Разработаны и исследованы диаграммообразующие схемы (ДОС) на основе концентрических металлических или полистироловых колец, рис.8, а также системы перфораций в двухсторонней печатной плате, размещенных между двумя усеченными конусами. Размеры исследуемых антенн: общая высота -212 мм, высота каждого конуса - 100 мм, диаметр большего основания конуса -500 мм, меньшего - 300 мм, высота концентрических колец в структуре линзы -4 мм.

Рис. 7. Исследуемая ра-диопеленгаторная АР

а) б)

Рис.8. Исследуемая антенна: а) внешний вид; б) структура линзы из ряда концентрических колец

Коммутационное сканирование по азимутальной координате осуществляется с помощью системы запитывающих коаксиальных кабелей, расположенных по внешнему краю линз.

Получены зависимости КСВН и коэффициента усиления в диапазоне частот от 0.5 до 3 ГТ'ц, рис. 9. Установлено, что антенна с полистироловыми кольцами более предпочтительна в плане энергетического зыигрыша, однако ДОС с перфорациями обладают более равномерной зависимостью в рабочем диапазоне частот (от 1.25 до 3 ГГц).

Рис.9. Исследуемые зависимости: а) КСВН; б) КУ (пунктирная кривая - АР с

металлическими кольцами, сплошная - АР с кольцами из полистирола) Для снижения величины заднего лепестка в диаграмме направленности в азимутальной плоскости предложено заменить систему из двух усеченных конусов со сплошными образующими системой ТЕМ-рупоров (рис. 10а) или элементов Вивальди (рис.106), часть из которых коммутируется с основаниями ДОС при помощи р-ьп диодов в зависимости от направления излучения.

а) б)

Рис.10. Модификации образующих конусов: а) ТЕМ-рупора, б) антенны Вивальди Полученные зависимости коэффициента усиления антенн (рис. 11), изображенных на рис. 10, свидетельствуют о перспективности использования ТЕМ-рупоров, так как их применение позволяет расширить частотный диапазон по критерию равномерности КУ. На рис. 12 представлен полезный эффект при использовании образующих в виде ТЕМ-рупоров: уровень заднего лепестка снижен более чем на 3 дБ, рис. 126.

15 а, дБ

¡5 б, дБ

а) б)

Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления модифицированных АР (сплошная линия) с исходной (пунктирная линия): а) АР с ТЕМ-рупорами; б) АР с антеннами Вивальди

5 А, дБ

а) б)

Рис. 12. ДН в азимутальной плоскости на частоте 2.5 ГГц: а) АР с биконусами; б) с ТЕМ-рупорами Проведено построение и исследование уточненной модели антенной системы с металлическими кольцами (рис. 13а) и изготовленного макета, соответствующего данной модели (рис.136). Уточненная модель и макет сделаны в масштабе 1:2 относительно исходной модели (рис.8), поэтому исследования проводились в диапазоне от 2 до 6 ГГц. В качестве запитывающего тракта использовался жесткий коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.

а)

Рис.13. Уточненная модель антенны (а); изготовленный макет (б) Получены зависимости КСВН (рис. 14а), коэффициента усиления (рис. 146) от частоты, а также диаграммы направленности в азимутальной плоскости на частоте 3 ГГц (рис. 15а) и 5 ГГц (рис.156). На рис. 14 и 15 сплошными линиями показаны зависимости, полученные в ходе натурных измерений, пунктирными - в ходе численных экспериментов.

Рис.14. Частотные зависимости а) КСВН; б) коэффициента усиления

Рис.15. ДН в азимутальной плоскости на частоте 3 ГТц (а) и 5 ГГц (б)

Высокая степень соответствия зависимостей, полученных с помощью натурных испытаний макета и полученных путем численного моделирования, свидетельствует о корректности построенных моделей и проведенных численных экспериментов. Расхождения в характере поведения зависимостей обусловлены тем, что измерения проводились не в безэховой камере, а кроме того, влиянием всевозможных неоднородностей измерительных трактов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена актуальная научная задача развития и исследования методов аппроксимации электромагнитного поля вблизи приемной антенной системы, не требующих априорной информации о геометрии и материальных свойствах ее носителя (формирования «виртуальной» антенной решетки, «элементами» которой являются пространственные отсчеты аппроксимированного поля). Предложен и апробирован ряд подходов к созданию приемных сверхдш-рокополосных антенных систем с учетом дифракционных искажений измеряемого поля их элементами (ТЕМ- рупорами, антеннами Вивальди, сверхширокополосными вибраторами специальной формы, гибридными антенными элементами в печатном исполнении).

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что при погрешности измерения амплитуд и фаз поля «реальной» антенной решеткой с (7-18) элементами, не превышающей 1.5 дБ и 5 , соответственно, методы формирования «виртуальных» антенных решеток

могут использоваться для снижения систематической погрешности пеленгования источников радиоизлучения (в 3-4 раза) при отношении радиусов «виртуальной» и «реальной» антенной решеток вплоть до 2-5-3.

2. Применительно к приемным антенным системам мобильного (или бортового) базирования и портативного размещения разработан и исследован метод формирования дополнительных «виртуальных» пространственных каналов приема, отличающийся повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля, основанный на использовании вспомогательных источников поля, число которых не равно (больше или меньше) числу элементов «реальной» антенной системы. Показано, что предложенный метод может быть использован для уменьшения систематической погрешности пеленгования радиопеленгаторов мобильного (или бортового) базирования, а также может быть использован для расширения возможностей в обработке сигналов в портативной аппаратуре телекоммуникации (на примере сотового телефона).

3. Предложена и апробирована методика построения приемных линейных антенных решеток, функционирующих в трехкратной полосе частот, основанная на запитке симметричных печатных вибраторов с плечами эллиптической формы, с помощью нерегулярной щелевой линии с потерями на излучение. Показано, что перекрытие почти трехкратного диапазона частот (3+8 ГГц) по критерию сохранения качественной формы диаграммы направленности элемента в решетке и удовлетворительному согласованию (КСВН < 3.5) в приемных линейных антенных решетках возможно при использовании сверхширокополосных вибраторов специальной формы, размещенных над проводящим экраном, или сверхширокополосных антенных элементов без фазового центра (гибридных элементов).

4. Предложена и апробирована методика построения сверхширокополосных приемных антенных систем с коммутационньш сканированием или многолучевым режимом диаграммообразования в азимутальной плоскости, основанная на возбуждении усеченного биконуса, а также ТЕМ- рупоров или антенн Вивальди с помощью плоской линзы Люнеберга. Исследованы различные перспективные пути построения сверхширокополосной плоской линзы Люнеберга, основанные на использовании технологии производства печатных плат, технологии лазерной резки, а также - литья и механической обработки металла и диэлектрика.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Повышение точности определения азимутальных координат источников радиоизлучения мобильными радиопеленгаторами путем аппроксимации поля с помощью интеграла Кирхгофа / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 8. С. 35-38.

2. Использование степенных рядов для формирования «виртуальных» ан-

тенных решеток вблизи рассеивателей сложной формы / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 8. С. 166-170.

3. Анализ перспективных направлений развития методов оценки угловых координат источников радиоизлучения / A.B. Ашихмин, В.А. Козьмин,

B.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 9. С. 47-55.

4. Исследование возможности описания пространственного распределения поля вблизи антенной системы мобильного радиопеленгатора с помощью ряда Лорана / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Телекоммуникации. 2009. №11. С. 18-23.

5. Исследование эффективности метода «виртуальной» антенной решетки при изменении геометрии корпуса носителя мобильного радиопеленгатора / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский //Антенны. 2010. № 1(152). С. 49-54.

6. Исследование физико-математической модели, описывающей «виртуальную» антенную решетку, сформированную вблизи трехмерного рассеивате-ля / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Антенны. 2010. № 6 (157). С. 43-59.

7. Исследование кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки, состоящей из экспоненциально расширяющихся щелевых элементов, нагруженных широкополосными электрическими вибраторами / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Антенны. 2010. №6 (157). С. 60-66.

8. Макаров Е.С. Анализ перспективных и использующихся в различных технических приложениях методов формирования «виртуальных» антенных решеток / Е.С. Макаров, В.В. Негробов, Ю.А. Рембовский // Телекоммуникации. 2011. №2. С. 25-31.

9. Разработка и исследование антенной системы для скрытной передачи информации в режиме приема и излучения сверхкоротких видеоимпульсов / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Информация и безопасность: регион, науч.-техн. журнал. 2011.Т.14. 4.1.

C. 91-96.

10. Повышение точностных характеристик комплексов радиоразведки на основе аппроксимации электромагнитного поля с использованием метода вспомогательных источников / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский, Д.С. Сысоев // Информация и безопасность: регион, науч.-техн. журнал. 2011. Т. 14. 4.1. С. 133-136.

Статьи и материалы конференций

11. Аппроксимация компонент электромагнитного поля вблизи рассеивателей сложной формы / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский, Д.С. Сысоев // Физико-математическое моделирование систем: материалы VI Междунар. семинара. Воронеж, 2009. Ч. 3. С. 59-66.

12. Анализ современного состояния и перспективные направления развития антенных систем, использующихся в комплексах радиопеленгации и радиомониторинга / A.B. Ашихмин, В.А. Козьмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 22-36.

13. Экспериментальное исследование кольцевой радиопеленгаторной гибридной антенной решетки в сверхшироком диапазоне волн / A.B. Ашихмин, A.B. Негробов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVI Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2010. Т. 2. С. 1634-1645.

14. Моделирование антенн для построения пеленгаторной антенной системы диапазона 3-8 ГГц / A.B. Ашихмин, М.Ю. Власов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский, Д.С. Сысоев, С.М. Федоров // Инноватика -2011: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Сочи, 2011. Ч. 2. С. 188-191.

15. Полноазимутальная антенная решетка с коммутационным сканированием на основе модификаций плоской линзы Люнеберга / A.B. Ашихмин, М.Ю. Власов, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, Д.С. Сысоев // Труды РНТОРЭС им. А.С.Попова. Сер. Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. М.,2011. Вып. 4. С. 64-67.

16. Ашихмин АЗ.Физико-математическое обоснование методов формирования "виртуальных" антенных решеток / A.B. Ашихмин, В.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак // Труды РНТОРЭС им. А.С.Попова. Сер. Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. М.,2011. Вып.

Подписано в печать 29.12.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № 3>£Г//

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

4. С. 102-105.

61 12-5/1376

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

На правах рукописи

НЕГРОБОВ Владимир Владимирович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРИЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ДИФРАКЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ

СТРУКТУРЫ ИЗМЕРЯЕМОГО ПОЛЯ

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Пастернак Ю.Г.

Воронеж 2011

Содержание

Введение 4

1. Анализ современного уровня развития техники в области создания сверхширокополосных антенных систем, а также методов повышения эффективности их функционирования 12

1.1. Обзор технических средств и анализ перспектив совершенствования современной аппаратуры радиомониторнига, радиопеленгации и связи 12

1.2. Анализ перспективных методов формирования «виртуальных» антенных решеток, использующихся в различных технических приложениях 41

1.3. Выводы по первой главе 5 3

2. Разработка и исследование путей минимизации влияния дифракционных искажений наблюдаемого электромагнитного поля на качество функционирования антенных систем мобильного и портативного базирования 55

2.1. Исследование методов аппроксимации компонент электромагнитного поля вблизи антенной решетки с помощью степенных рядов, а также классических принципов электродинамики 55

2.2. Исследование метода описания поля вблизи антенной решетки мобильного базирования суперпозицией полей вспомогательных источников и исследование его на устойчивость к изменению геометрии носителя

2.3. Исследование физико-математической адекватности методов аппроксимации поля

2.4. Разработка методов формирования «виртуальных» антенных решеток, обладающих повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля приемной антенной системой

71

78

2.5.Исследование возможности аппроксимации фазовой структуры электро-

магнитного поля вблизи антенной решетки портативного базирования 97

2.4. Выводы по второй главе 114

3. Разработка и исследование приемных антенных решеток, построенных на основе сверхширокополосных направленных элементов, а

также методов учета дифракционных искажений наблюдаемого поля 116

3.1. Исследование возможности оптимизации процедуры калибровки стационарной радиопеленгаторной антенной решетки 116

3.2. Разработка и исследование сверхширокополосных печатных элементов, используемых для построения линейных антенных решеток 123

3.3. Исследование влияния подстилающей поверхности на характеристики направленности гибридного печатного элемента 135

3.4. Выводы по третьей главе 142

4. Разработка и экспериментальное исследование сверхширокополосных многолучевых антенн на основе плоской линзы Люнеберга 144 4.1 Разработка и исследование антенн, основанных на возбуждении усеченного биконуса с помощью плоской линзы Люнеберга 144

4.2. Исследование конструкций антенн, основанных на возбуждении плоской линзой Люнеберга системы ТЕМ-рупоров или антенн Вивальди 153

4.3. Макетирование и натурные исследования линзы Люнеберга,

состоящей из концентрических металлических колец 160

4.4. Выводы по четвертой главе 165 Заключение 166 Список цитируемых источников 168 Приложение 1. Акт внедрения результатов диссертации в

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 178 Приложение 2 Акт внедрения результатов диссертации в ЗАО «ИРКОС» 180 Приложение 3 Акт внедрения результатов диссертации в НТКБ «Феррит» 181 Приложение 4 Акт внедрения результатов диссертации в Воронежском институте правительственной связи (филиале) академии ФСО РФ 182

4

Введение

Актуальность темы. Одним из важных направлений развития современных радиотехнических систем является совершенствование аппаратных и программных средств, предназначенных для приема и обработки сигналов в сверхширокой полосе частот. Это не только системы военного и специального назначения - радиолокации, радиопеленгации, радионавигации, связи и телекоммуникации, но и портативная аппаратура телекоммуникации гражданского применения - мобильные телефоны, радиомодемы доступа в Интернет, персональные компьютеры (стандарты LTE, UWB и др.).

Для приема сигналов в сверхширокой полосе частот используются различные типы антенн. Антенны Вивальди, ТЕМ- рупоры, вибраторы с плечами конической или полукруглой формы могут в малой степени искажать временную структуру принимаемых сигналов; однако антенные решетки, составленные из этих элементов, могут в сильной степени искажать пространственное распределение электромагнитного поля.

Тонкие вибраторные элементы и решетки, составленные из них, широко используются в аппаратуре радиоконтроля, несмотря на то, что подобные антенны могут сильно искажать временную структуру принимаемых сигналов. Аналогичная проблема возникает и с антенными системами современных мобильных телефонов, часто сформированными из F- антенных элементов в печатном исполнении.

Серьезной проблемой, в существенной степени затрудняющей использование современных методов обработки принимаемых сигналов (в частности, методов пространственного сверхразрешения источников радиоизлучения), является искажение пространственной структуры поля корпусом мобильного (или бортового) носителя антенной системы, а в случае портативной аппаратуры -телом пользователя (мобильный телефон).

В работах крупнейших специалистов по обработке сигналов в приемных антенных системах: Tuncer Е., Friedlander В., Chandran S., Belloni F., Pesavento

М. и др., описано множество подходов и методов калибровки приемных антенных решеток; тем не менее, не во всех радиотехнических системах возможно использование этих достаточно сложных и трудоемких процедур. В частности, проведение процедуры калибровки принципиально невозможно в мобильном телефоне; геометрия и материальные свойства мобильных и бортовых носителей приемных антенных систем могут изменяться в процессе эксплуатации, следствием чего является необходимость частого повторения данной дорогостоящей и трудоемкой процедуры.

Поэтому актуальным является создание и исследование сверхширокополосных антенных решеток, пригодных для использования в современных аппаратно-программных комплексах приема и обработки сигналов в стационарном, мобильном (или бортовом), а также в портативном исполнении; весьма актуальной задачей является создание и исследование методов автокалибровки сверхширокополосных приемных антенных систем без использования какой-либо информации о геометрии и материальных свойствах их носителей (или пользователей).

Обозначенные обстоятельства обусловливают актуальность темы настоящего исследования, выполненного в ходе ряда госбюджетных НИР кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с одним из основных научных направлений «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Объектом исследования являются сверхширокополосные приемные антенные системы для стационарных и мобильных комплексов радиопеленгации, а также портативной аппаратуры телекоммуникации.

Предметом исследования являются дифракционные искажения поля, вносимые приемной антенной системой и ее носителем, а также методы их компенсации на основе формирования «виртуальной» антенной решетки или калибровки приемной антенной системы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являются

развитие и исследование методов аппроксимации электромагнитного поля вблизи приемной антенной системы, не требующих априорной информации о геометрии и материальных свойствах ее носителя, а также разработка и исследование приемных сверхширокополосных антенных систем с учетом дифракционных искажений измеряемого поля их элементами.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения анализа современного состояния и выявления проблем в области создания сверхширокополосных приемных антенных систем стационарного, мобильного (бортового) и портативного базирования;

- развития и исследования методов формирования «виртуальных» антенных решеток, обладающих повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля с помощью приемной антенной системы, расположенной на корпусе носителя и вблизи тела пользователя;

- разработки и исследования сверхширокополосных приемных антенных систем с учетом дифракционных искажений, вносимых в измеряемое поле;

- экспериментального исследования созданных сверхширокополосных антенн и разработки методики их проектирования с учетом технологических особенностей производства.

Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, вычислительные методы электродинамики, методы математического моделирования, методы экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана методика определения области и условий применения методов формирования «виртуальных» антенных решеток, отличающаяся переходом от анализа исходной трехмерной электродинамической задачи рассеяния волн на «реальной» антенной системе и корпусе ее носителя к эквивалентной двумерной задаче, и дающая возможность аналитически описать распределение поля на плоскости, проходящей через центры антенных элементов;

- разработан и исследован метод формирования «виртуальной» антенной

решетки, отличающийся использованием процедуры квазирешения и обладающий повышенной устойчивостью к погрешностям измерения поля реальной приемной антенной системой;

- разработана методика синтеза и анализа полосковых антенных элементов, построенных на основе неоднородной щелевой линии с нагрузкой в виде симметричного вибратора с плечами эллиптической формы, позволяющая создавать кольцевые и линейные антенные решетки, функционирующие в полосе частот с коэффициентом частотного перекрытия, достигающего 3;

- разработана методика синтеза и анализа сверхширокополосных антенных систем с коммутационным сканированием, построенных на основе плоских модификаций линзы Люнеберга, отличающаяся возможностью создания многолучевых сверхширокополосных антенн с диаграммами направленности (ДН) игольчатого вида, ориентированными в азимутальной плоскости.

Практическая значимость работы заключается в создании антенных систем и математического обеспечения, позволяющих значительно повысить точностные характеристики и характеристики разрешения по угловым координатам радиопеленгаторных комплексов мобильного базирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», а также Воронежского института правительственной связи (филиала) академии ФСО РФ (г. Воронеж).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- выяснено, что исследованные и разработанные методы аппроксимации пространственного распределения поля применимы для значений отношения радиусов «виртуальной» и «реальной» антенной решеток, вплоть до 2ч-3 - для мобильных (или бортовых) носителей и до 1.5-т-З - для мобильного телефона, находящегося вблизи головы пользователя, при числе элементов «реальной» антенной решетки от 7 до 18;

- метод формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающийся

использованием процедуры квазирешения, в которой число используемых вспомогательных источников поля не равно числу элементов «реальной» антенной решетки, построенной на основе минимизации целевой функции, аргументами которой являются комплексные амплитуды вспомогательных источников;

- методика построения сверхширокополосных приемных линейных антенных решеток, основанная на использовании элементов в виде неоднородной щелевой линии, нагруженной на симметричный вибратор с плечами эллиптической формы, или сверхширокополосных вибраторов специальной формы, размещенных над проводящим экраном, позволяющая существенно ослабить взаимное влияние элементов решетки на их направленные свойства и входное сопротивление;

- методика построения сверхширокополосных приемных антенных структур с коммутационным сканированием или многолучевым режимом диаграммо-образования в азимутальной плоскости, основанная на возбуждении усеченного биконуса, а также ТЕМ - рупоров или антенн Вивальди, с помощью плоской линзы Люнеберга.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2009), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2010), XVI Международной научно-технической конференции «Инноватика 2011» (Сочи, 2011), IV Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (Суздаль, 2011), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009 - 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 10 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю

принадлежат: [47, 48, 51-53, 57, 58] - проведение численных экспериментов, математическое моделирование; [26, 27, 42] -поиск и предварительный анализ публикаций; [55] - разработка методики проведения исследования; [62, 67, 70, 96] -изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний; [81] - разработка сверхширокополосных печатных антенн.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах, содержит 89 рисунков и 12 таблиц.

В первой главе проведен анализ современного состояния в области создания сверхширокополосных приемных антенных систем стационарного, мобильного (бортового) и портативного базирования. Показано, что существует потребность в развитии электродинамических методов формирования «виртуальных» антенных решеток и в создании новых методов, более устойчивых к погрешностям измерения комплексных амплитуд поля. Сделан вывод о необходимости учета дифракционных искажений поля, вносимой сверхширокополосной антенной системой в наблюдаемое поле, путем создания процедуры ее адекватной калибровки.

Во второй главе исследованы методы аппроксимации пространственного распределения поля вблизи корпуса носителя антенной решетки или иных близлежащих рассеивателей, не требующие использования информации о структуре и материальных свойствах рассеивателей. Показано, что использование данных методов в радиопеленгаторных системах позволяет существенно повысить точность определения направления на источник радиоизлучения. Проведена разработка метода формирования «виртуальной» антенной решетки, отличающегося использованием процедуры квазирешения. Показано, что данный метод более устойчив к погрешностям измерения амплитуд и фаз на элементах физически существующей антенной решетки, а также, пригоден для использования в более широкой полосе частот, чем метод, основанный на решении системы линейных алгебраических уравнений. Путем численного модели-

рования показана высокая степень инвариантности методов формирования «виртуальной» антенной решетки к изменению геометрии корпуса носителя аппаратуры радиопеленгования. Выяснено, что наличие или отсутствие в крыше носителя люка непосредственно под антенной решеткой или вблизи нее, не приводит к снижению полезного эффекта от использования методов формирования «виртуальной» антенной решетки. Приведено обоснование метода «виртуальной» антенной решетки с физической точки зрения, основанное на использовании электродинамического принципа эквивалентности источников полей. Исследована возможность использования методов аппроксимации поля вблизи антенных систем портативного базирования на примере антенной системы мобильного телефона. Выяснено, что применение метода формирования «виртуальной» антенной решетки, основанного на процедуре квазирешения, позволяет относительно успешно аппроксимировать фазовую структуру наблюдаемого электромагнитного поля на расстояниях, до трех раз превышающих радиус антенной решетки, расположенной на корпусе мобильного телефона. Указано, что данные апп�