автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Разработка и оптимизация микрополосковых антенных решеток для систем мобильной связи в Ливане

На правах рукописи

ШАРИФ ХУССЕЙН ОЛЛЕЙК

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ В ЛИВАНЕ

Специальность 05.12.07 -«Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

1 7 мдр 2011

4840444

Работа выполнена на кафедре антенных устройств и распространения радиоволн Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор САЗОНОВ Дмитрий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук БАНКОВ Сергей Евгеньевич

ИСАКОВ Михаил Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственный комплекс «Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи»» (г. Москва)

Защита состоится 14 апреля 2011г. в 15 час. 30 мин.

на заседании

диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А — 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « февраля 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05, кандидат технических наук, доцент

КУРОЧКИНА Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке микрополосковых антенных решеток со сложными и управляемыми характеристиками направленности для применения в системах мобильной связи Ливана, а также развитию и усовершенствованию методики проектирования и оптимизации параметров таких антенных систем на основе применения электродинамического анализа и синтеза в сочетании с экспериментами.

Актуальность темы

Примерно с 2005 года в Ливане происходит широкое распространение и интенсивное развитие новых поколений телекоммуникационных систем, персональных систем связи и различных беспроводных локальных сетей связи. Возрастающее число радиосредств увеличивает электромагнитное заполнение и загрязнение эфира и приводит к существенному увеличению числа нежелательных помех от близко расположенных радиоисточников, существенно снижая производительность систем связи. В связи с этим резко возрастает потребность в новых конструкциях антенн и методиках проектирования, способных обеспечить повышение помехоустойчивости и экологичности радиосистем.

Одним из наиболее актуальных и продуктивных решений является применение в телекоммуникационных системах усложненных излучающих систем в виде антенных решеток. Антенны этого типа позволяют расширить функциональные возможности радиосистем, и придать новые качества процессам управления и обработки информации. Происходит как улучшение характеристик радиосистемы в целом, так и уменьшение электромагнитного загрязнения среды. О важности и актуальности подобных технических решений свидетельствует большое число опубликованных работ, в том числе обзоров и монографий. Однако развиваемые в этих работах методы анализа и синтеза антенн в подавляющем большинстве носят теоретический характер, и не направлены напрямую на разработку конкретных типов антешшх устройств с заданными характеристиками.

Применительно к сложной современной обстановке в Ливане чрезвычайно актуальной становится решаемая в диссертации задача всесторонней оптимизации

3

микрополосковой антенной системы, включая как оптимизацию свойств отдельного элемента решетки, так и построение наилучшей геометрии самой решетки, безотносительно к типу ее элементов. Наиболее существенными критериями настоятельно необходимой оптимизации оказываются: 1) реализация требуемой формы характеристики направленности, 2) реализация возможности управления этой формой, и 3) сохранение качества диаграммы направленности и приемлемого уровня согласования входов в возможно более широкой полосе рабочих частот. Таким образом, данная диссертационная работа посвящена решению весьма актуальной Задачи оптимизации и расширения функциональных возможностей конкретных антенных решеток для базовых станций телекоммуникационных систем Ливана.

Целью диссертационной работы является

Разработка конкретных микрополосковых антенных решеток и развитие методики их всесторонней интерактивной оптимизации на основе: 1) достаточно строгого электродинамического анализа излучающей системы; 2) вспомогательных измерений; 3) подходящего теоретического синтеза характеристики направленности (го есть, отыскания физически реализуемого распределения возбуждения источника, воспроизводящего требуемую диаграмму направленности с допустимой ошибкой); 4) интерактивного поиска наилучших технических решений для выбранной конструкции антенной системы по ряду критериев (по диапазонности и возможностям управления формой диаграммы направленности, по расширению допустимой области сканирования, по качеству согласования входов и др.). Именно построение такого сочетания методов и приемов для создания конкретных антенных устройств в системах мобильной связи составляет цель исследований автора.

Объекты исследований

В первую очередь было необходимо подобрать тип излучающих элементов для конкретных разрабатываемых антенных решеток. В качестве излучающих элементов антенной решетки для связных систем Ливана наиболее перспективны микрополосковые излучатели (прототипом подобных излучателей являются бортовые маловыступающие антенны в виде прямоугольных и треугольных металлических накладок, разработанные в 50-х - 60-х годах прошлого века в ОКБ МЭИ и на кафедре

4

Антенных устройств МЭИ под руководством проф. Маркова Г.Т. и проф. Попереченко Б.А.), способствующие миниатюризации аппаратуры, повышению уровня интеграции электронных схем и обеспечивающие повышенную технологичность на стадии производства. В конструкциях реальных решеток управление комплексными весовыми коэффициентами возбуждения таких излучателей легко реализуется с применением технологии печатных СВЧ схем. Особо следует подчеркнуть важность оптимизации излучающего элемента. При правильном проведении оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным peajibHuc CMHi ченис ограничений, навязываемых практической реализацией.

Наиболее простыми объектами являются линейные антенные решетки. В диссертационной работе разработаны и исследованы две решетки.

Первая решетка из 4-х идентичных микрополосковых элементов предназначена для работы на частотах 890-960 МГц (полоса GSM). Вторая решетка из 8-ми идентичных микрополосковых элементов предназначена для работы на частотах -2.45 ГГц.

Более сложными являются конформные антенные решетки на криволинейной поверхности. В диссертационной работе разработаны и исследованы две цилиндрические микрополосковые решетки, предназначенные для формирования управляемых лучей в расширенном секторе обзора. Первая антенна состоит из 8 элементов, а вторая антенна состоит из 16 элементов. В конформных решетках излучающие элементы ориентированы в различных направлениях и поле излучения не представимо в виде произведения характеристики элемента на множитель решетки. Это приводит к существенному усложнению математической модели, описывающей решетку.

Для первой антенны производятся числеиное моделирование и экспериментальные исследования. Для второй антенны выполнены только экспериментальные исследования.

Наконец, в диссертационной работе по технологии печатных цепей разработаны конструкции двух плоских антенных решеток (одна с направленной диаграммой, а

вторая с секторной диаграммой), предназначенных для организации многоточечной связи в 3-см диапазоне волн.

Оптимальный выбор параметров каждой антенной решетки предполагает приближение в определенном смысле ее реализованной диаграммы направленности к требуемой. Из множества характеристик антенной решетки при оптимизации наиболее значимы следующие параметры: 1) тип элементов, 2) число элементов, 3) позиции и ориентации элементов, 4) амплитуды и фазы возбуждения входов решетки.

Методы исследования Характеристики направленности микрополосковых излучающих элементов определяются численным моделированием, либо экспериментально. Ряд параметров элементов (резонансные частоты, частотное поведение входного сопротивления и др.) находятся с помощью вычислительной программы электродинамического анализа методом конечных разностей во временной области (Р1УШ). Входные импедансы излучающих элементов согласуются с сопротивлениями питающих линий стандартными методами теории цепей СВЧ.

Научная новизна В диссертационной работе представлен новый подход к комплексной разработке многоэлементных микрополосковых антенных систем, проведены теоретические исследования (включая численную оптимизацию на основе теории мипимакса), выполнены экспериментальные исследования различных допустимых конфигураций антенных решеток. Предложена новая комплексная методика разработки передающих связных антенных решеток, включающая в себя: 1) сочетание теоретических методов анализа и синтеза линейных, плоских и конформных антенных решеток с дополнительными экспериментальными исследованиями; 2) возможность видоизменения формы характеристики направленности, и отклонения ее лепестков на нужного корреспондента за счет изменения только фаз возбуждения элементов; 3) учет и компенсацию эффекта взаимного влияния между элементами антенных решеток, оказывающего существенное влияние на предельно достижимые оптимальные параметры антенной системы.

Данная методика практически реализована и экспериментально исследована при разработке ряда конструкций конкретных микрополосковых антенных систем,

б

предназначенных для применения на базовых станциях систем мобильной связи Ливана. Особо следует подчеркнуть новизну и важность предложенной оптимизации отдельного излучающего элемента. При предлагаемых в диссертации методах оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией. Серьезное значение при управлении диаграммами направленности антенных решеток имеет эффект взаимного влияния между элементами.

Основные положения, представленные к защите

¡.Электродинамический анализ микрополоскового излучающего элемента методом конечных разностей во временной области, и численный метод оптимизации излучающего элемента на основе минимаксного критерия.

2. Комплексная оптимизация нескольких видов передающих связных антенных решеток (линейная решетка, цилиндрическая решетка, и плоская решетка) с использованием специального программного обеспечения для синтеза антенных решеток (SARA).

3. Учет и компенсация эффекта взаимного влияния элементов решетки.

4. Расчеты, эксперименты, и результаты сопоставления расчетных и экспериментальных результатов.

5. Выводы и рекомендации по итогам исследований.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов

обеспечены применением только адекватно построенных и общепризнанных математических и физических моделей на основе тщательного теоретического анализа, и разумным выбором сочетания этих моделей в предложенной методике разработки антенных систем. Достоверность теоретических результатов окончательно установлена и подтверждена многочисленными экспериментами и сравнением с данными других опубликованных исследований.

Практическая значимость и внедрение В процессе работы создано специальное программное обеспечение SARA для синтеза антенных решеток (SARA = Synthesis of Array Antenna). В основу численного метода оптимизации положена

теория минимакса, согласно которой глобально минимизируется максимальная разность между реализуемой диаграммой направленности и ее наперед заданным шаблоном. Пользователь предварительно задает число и расположение элементов, а также диаграмму направленности элемента решетки. В процессе оптимизации определяются требуемые амплитуды и фазы возбуждающего сигнала для каждого элемента решетки. Опционально принимаются во внимание, или не принимаются, взаимные связи между элементами. Программное обеспечение позволяет осуществлять синтез антенных решеток различной геометрии, как-то: линейных, плоских и конформных.

В процессе научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности автора диссертации созданы конкретные образцы трех типов микрополосковых антенных решеток для базовых станций мобильной связи Ливана. В результате оптимизации, проведенной на основе положений данной диссертации, технические характеристики этих решеток близки к предельно достижимым. Конструкции решеток успешно прошли этап испытаний, и приняты к реализации в Ливане.

Апробация Результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры Антенных устройств МЭИ в 2008 - 2009 г.г., на семинарах в Ливанском университете г. Сайда в 2007 - 2009 г.г., а также докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция к 100-летаю со дня рождения В.А. Котелышкова, Россия, Москва (МЭИ), 21-23 октября 2008 г.

2. 19-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (СпУПСо'2009), Украина, г. Севастополь, 14-18 сентября 2009 г.

Публикации По результатам работы опубликовано 2 статьи в журнале «Антенны», рекомендованном ВАК РФ, и 2 доклада в трудах конференций.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 62 наименований. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, включая 114 рисунков, 17 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее содержание.

Глава 1 диссертации посвящена исследованию, разработке и оптимизации характеристик микрополоскового элемента и микрополосковой антенной решетки.

В настоящее время, микрополосковые антенны привлекают все большее внимание специалистов в области телекоммуникаций, а микрополосковые антенные решетки находят широкое применение в современной технике и получили широкое распространение на рынке мобильных телефонов. Они предлагают множество преимуществ, например, малые размеры и вес, простота изготовления. Подобные антенны гармонично подходят для интеграции с другими планарными высокочастотными цепями и устройствами, располагающимися на плоских и конформных поверхностях. Использование антенны в виде отдельного элемента в телекоммуникационных системах выявляет следующие его недостатки: низкий коэффициент усиления, относительно узкая полоса, малая эффективность, постороннее излучение линии питания и возможность возбуждения поверхностной волны. Преодоление этих недостатков требует решения задачи синтеза антенных решеток.

Синтез антенных решеток предполагает знание типа использованной антенны и ее характеристик излучения. Технические требования часто включают габаритные размеры антенны, частоту резонанса и полосу пропускания по уровню -10 или -20 дБ (коэффициент Sil). В полосе пропускания антенна обладает максимальным кпд. Кроме того, при синтезе следует учитывать, коэффициент усиления и характеристика направленности антенны. Для удовлетворения некоторых ограничений, например, ограничений на размер элемента и его конструкцию, необходимо уметь оптимизировать не только саму решетку, но и излучающий элемент (ИЭ). В этой главе диссертации описывается подход к анализу характеристик микрополосковых антенн и соответствующее программное обеспечение, обеспечивающее достаточно точный расчет характеристик элемента решетки, необходимых для се построения (диаграммы направленности, входного сопротивления, а также взаимного влияния

между элементами). Использованное программное обеспечение основано на применении метода конечных разностей во временной области (7*7)72)), который обеспечивает прямое решение уравнений Максвелла во временной области. Уравнения Максвелла подвергаются дискретизации с использованием центрально-разностной аппроксимаций по времени и пространственным координатам. Расчёт полей в ячейках сетки повторяется до тех пор, пока не будет получено решение поставленной задачи в интересующем промежутке времени. Антенна и окружающее пространство дискретизируются с использованием элементарных ячеек, в которых рассчитываются составляющие излучаемого поля ь ближней зоне. Расчетные выражения для различных составляющих поля даны в приложении 1. Полученные методом конечных разностей результаты во временной области с помощью преобразования Фурье преобразуются в частотную область и позволяют определить такие характеристики на входе излучающего элемента, как входное сопротивление или взаимная связь с другими элементами. Используемый в работе прототип излучающего микрополоскового элемента показан на рис. 1. Этот элемент имеет реализуемый коэффициент усиления в = 6.5 дБ в обеих плоскостях на главной поляризации. Б.го диаграммы направленности, измеренные в плоскостях Е и Н на частоте Г = 2,45 ГГц. представлены на рис. 2.

55 мм

Рис. 1, Излучающий элемент

и о я и

р.ю

я с; п

3-20 1 Г>

О СЕ ость Е)

ч.

И я:

га" я £-10

■30 О 30 Угол (град.)

<-20

ДЩплось ость Н) \

60

90

-90 -60

-30 0 30 Угол (град.)

Рис.2. ДН излучающего элемента в плоскостях Е и Н

90

Экспериментальные результаты демонстрируют хорошее совпадение с теоретическими результатами. В частности, полученные экспериментальные

результаты для входного сопротивления (рис. 3) и коэффициента отражения (рис. 4) излучающего элемента показывают хорошее согласие на частоте 2,45 ГГц.

-50

—Re(ZBK),OM ■-Im(ZBX).OM

в^- > А - -

Вхо цное сок;. этив; [ени<

1,5

О

И "5 «-10 ■рг-15 Й-20

-30

т

Частота. ГТц Рис.3. Входное сопротивление ИЭ

1,5 . 2,5

Частота, ГГц Рис.4. Коэффициент отражения ИЭ

(.ТГ'1ПАГ)| т

коэффициента измеряемого на

отражения Sil, 5.

.„ , ,, га-Ю входе АР (рис.5),

показывает, что, эта линейная решетка —[25

имеет коэффициент отражения

^-лЛЛУЛ

\ v V У

—

приблизительно равный -17дБ.

2 3

Частота, ГТц Рис.5. Коэффициент отражения решетки

Глава 2 диссертации посвящена теоретическим основам анализа и синтеза решеток (в том числе, с учетом взаимного влияния элементов решетки).

Общую задачу построения антенн по заданным требованиям, т. е. задачу синтеза антенн, в теоретическом плане принято разделять на внешнюю задачу и внутреннюю задачу. Решение внешней задачи для антенн с обработкой сигнала практически сводится к построению антенной решетки, обеспечивающей заданную направленность в секторе обзора (сканирования). Решение внутренней задачи должно обеспечивать необходимое возбуждение антенны, найденное из решения внешней задачи, и пребуемую обработку сигнала. В общем случае синтез антенных решеток заключается в изменении относительных положений элементов и амплитуд и фаз токов возбуждения источников, входящих в состав решетки, для того, чтобы обеспечить наилучшее приближение к

-90 -60 -30 0 30 60 Рис.6. Шаблон ДН

90 (6°)

требуемой характеристике излучения (как правило, диаграмме направленности). Параметры диаграммы направленности (ДН) задаются с помощью шаблона (рис. 6), в котором задаются уровень боковых лепестков и/или амплитуды колебаний в области главного лепестка (в секторе обзора).

Математически, задача состоит в решении системы нелинейных уравнений:

F^(x,X,) = Fapi6(Xj) j =1.-.М, хj = (9,1Ф) (1)

х - вектор параметров решетки. Fpam. ~ ДН решетки, рассчитываемая в направлении . Fmpe6. - требуемая ДН в том же направлении.

Угловые направления (х,) задаются в М дискретных значениях в области, соответствующей периоду функции FpaC4 (для периодических решеток).

Большинство задач оптимизации можно свести к минимизации скалярной величины, называемой "функцией ошибки". Эта функция представляет собой разницу (отклонение) между реальными (моделируемыми) и требуемыми (заданными) характеристиками. Функция ошибки выражается следующим образом:

ERR ERR(x.....,х„) (2)

Вектор х включает в себя все параметры, доступные пользователю для изменения в процессе оптимизации. Если рассматривать функцию ERR в некотором направлении R (%j), то эта функция определяется следующим образом:

ERRibX^wiX^E^X^-F^iZjK' J = (3)

где Ерасч,- рассчитанное поле; Е„,рев-требуемое поле в направлении '/jf vv(Xj') - это весовая функция, которая позволяет устанавливать приоритеты для некоторых направлений пространства по отношению к другим, придавая им большую значимость в функции ошибки. Эта возможность будет использоваться для одновременного контроля уровня боковых лепеегков ДН и уровня колебаний амплитуды ДН в нужной зоне покрытия.

Минимаксная норма определяется таким образом:

ERR(x) = Y\F^{bXj)-FmpAXj)[ * =

|ЯЩ*)[=т™[£ЛЯ(*,^)|2 j = ],...,М (4)

Здесь Мпредставляет собой число выбранных угловых направлений.

Минимаксная норма определяет максимальную ошибку по всем выбранным направлениям, что позволяет, в частности, получить ДН с постоянными уровнями колебаний в области главного лепестка и сформировать боковые лепестки одинакового уровня. Эта норма будет использоваться для определения функции ошибки. В случае синтеза антенных решеток, в параметры синтеза могут быть включены токи возбуждения элементов (амплитуда и/или фаза) и, в некоторых случаях, относительные положения элементов. Оптимизация ДН, как правило, проводится при наличии некоторого числа ограничений на параметры решетки или какие-либо ее показатели качества (кпд, отношение сигнал/шум).

Минимаксный критерий формирования функции ошибки использовался в двух методах синтеза. Первый метод, получивший название вещественного синтеза, позволяет оперировать с токами, имеющими симметричное амплитудное распределение и комплексно сопряженное фазовое распределение. Второй метод, названный комплексным синтезом, позволяет синтезировать произвольные распределения амплитуд и фаз возбуждений элементов. Кроме того один из методов синтеза используется для компенсации эффекта взаимного влияния между элементами АР, который на практике считается источником искажений ДН решетки. Метод синтеза основан на итерационном решении системы нелинейных уравнений с использованием минимаксного критерия оптимизации. Программное обеспечение (ПО) SARA (Synthesis of ARray of - Antennas), разработанное в Ливанском университете, позволяет проводить синтез и анализ антенных решеток с использованием аналитических методов. Используемое ПО SARA позволяет синтезировать антенные решетки с учетом эффекта взаимного влияния. Для устранения искажений, вызванных взаимным влиянием элементов, используется компенсация этого эффекта путем коррекции фазового Рис.7. Плоскость формирования ДН (шаблон) распределения на элементах АР. Диаграммы направленности определяются весовой

1С 11 12 13 14 15

функцией, которая контролирует уровень боковых лепестков и максимальную амплитуду колебаний главного лепестка в различных зонах, образующих плоскость формирования или шаблон ДН (рис. 7).

Метод нелинейной оптимизации позволяет находить приближенное решение системы нелинейных уравнений

= х,=№,1>). ; = 1,..,М (5)

в минимаксном приближении, поскольку нужно найти параметры вектора х, минимизирующие максимум функции ошибки (4). При минимизации используется приближение нелинейной функции, для которой можно рассчитать один субградиент в каждой точке с использованием тангенциальной линеаризации, а затем неоднократно (итеративно) применять это приближение. Таким образом, необходимо решить систему линейных уравнений, к которой можно прибавить ограничения по мере выполнения итераций для обеспечения сходимости метода. На итерации К+1, вектор х(А'+1) выражается таким образом:

х{К + ])^х(К) + >,(К) МК) = (Лр--А) (6)

Процедура оптимизации использует систему линеаризованных уравнений, в которой И(К) является решением, уменьшающим максимум линеаризованной функции ошибки. Таким образом,

ЕЯЯЖЮЛ,) = ЕККл(х(К),х^+вгЩЕКЦх(К),х^'Ь(К) (7)

где И(К) должно удовлетворять некоторым ограничениям для того, чтобы обеспечить корректность линейного приближение, использованного для построения системы уравнений:

тах|й,|<Я(/0 (8)

Поиск минимального значения системы линейных уравнений представляет собой классическую проблему оптимизации

Мш£ДДл(йда) = ]ГаД (9)

при ограничениях: <Л(к) (10)

где: Ш»*Ш) = Мах|£ДКл(х(4х> &гМ (ЕМм){х(к\ХМк] . (11)

Сходимость метода обеспечивается регулированием величины Х(К) (X -критическое значение линеаризации) на каждом итеративном шаге. Таким образом, точка д:(ЛГ+1) является точкой спуска, если уменьшение максимального значения линеаризованной функции (ERRHJI (х{К))) превышает долю уменьшения максимальной линеаризованной функции (ЕМЛ (х(К))):

ЕЩШ (х(К)) - ERRm (х(К) + h(K)) > Р] (ERR, (х(К)) - ERR, (х{К) + h(K)), Р[ < 1 (12)

где, р\ = (0, 1) - Коэффициент выравнивания сходимости = (0, 1).

В противном случае, аппроксимация пкязыпяслг.я недог.тяточной И ?(*' + !) уменьшается по формуле:

X =тах — 10

(13)

Х(К + \) = ргХк р2<1

где, Р2. = (0,5) - Коэффициент выравнивания \И\.

Итерации прекращаются после достижения одного из следующих критериев:

1. Максимальное значение функции ошибки меньше определенной величины.

2. Максимальное значение Щ становится малым по сравнению с .

В приведенных примерах синтезируются ДН линейной АР, состоящей из 8 разнесенных на 0.5 Л0 и ДН цилиндрической АР, состоящей из 16 элементов.

1) Синтезированная ДН линейной решетки - двухлепестковая, с лучами в заданных угловых направлениях (рис. 8). Синтезированные фазы возбуждения приводятся в таблице 1

Таблица 1

-60 -40 -20 О 20 40 60 i

Рис.8. Двухлепестковая ДН

N Синтезированные возбуждения (2 лепестка)

<Рп

-60°и 50°

1 155

2 340

3 170

4 355

5 5

6 190

7 20

8 205

2) Синтезированная ДН цилиндрической решетки также двухлепестковая (рис. 9). Синтезированные комплексные возбуждения элементов приводятся в таблице 2.

Таблица 2

-150 -100 -50 0 50 100 Рис.9. Двухлепестковая ДН

150 Ф

В (амплит озбуждения уда "А" и фаза"ср")

N А Ф N А 9

1 0.60 57.5 9 0.48 85.8

2 0.42 132.9 10 -0.52 -236.2

3 -0.71 22.1 И -0.63 -50.8

4 П ПО О 11 п

5 1.00 119.2 13 -0.67 11.3

6 -0.79 94.9 14 -039 -104.2

7 0.61 83 Л 15 039 23.0

8 0.51 105.1 16 0.40 -85.6

Глава 3 диссертации посвящена практическим разработкам микрополосковых решеток и результатам их оптимизации.

> 4-х элементная линейная антенная решетка

Эта микрополосковая узкополосная 0 СВЧ антенна была предназначена для выбора формы излучателя, позволяющего обеспечить работу антенны во всей

-20

полосе вБМ диапазона (890-960 ГГц).

-25

Экспериментальные исследования ^

эффекта взаимного влияния на излучение

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 30 100 6

были проведены на 4-х квадратной Рис.10. Расчетная и экспериментальная элементной линейной антенной решетке. ДН линейной решетки

На рис.10 показана расчетная и экспериментальная ДН АР с максимумом под углом -

10°.

Резонансная частота антенны равна 925 ГГц. Расстояние между элементами равно 0.45 }.0.

> 8-ми элементная линейная антенная решетка.

Ряд результатов моделирования линейных антенных решеток, иллюстрирующих возможности минимаксного метода оптимизации, приведен в главе 2 без учета эффекта взаимного влияния между элементами. Результаты, полученные с учетом эффекта взаимного влияния, приведены на рис.11 и рис. 12.

Рис. 11. Двухлепестоковая ДН Рис. 12. Главный лепесток с нулем

Видно, что использованная методика синтеза позволяет синтезировать распределение фаз возбуждений, обеспечивающее формирование главного лепестка в заданном направлении и нулей в направлениях интерферирующих источников сигналов с учетом эффекта взаимного влияния.

> 8-ми элементная цилиндрическая антенная решетка.

Оптимизация характеристик данной АР выполняется с использованием минимаксного критерия.

Характеристики требуемой ДН, например максимальный и минимальный уровня боковых лепестков и глубина пуля задаются путем введения набора весовых коэффициентов в функции ошибки.

В конформной решетке ДН каждого элемента значительно влияет на ДН антенной решетки в целом.

Синтезированная ДН АР, демонстрирующая возможности метода, приведена на рис.13.

В таблице 3 приведены фазы возбуждения для случая управления однолепестковой ДН.

Таблица 3

О 50 100 150

Рис.13. Опнолепестковой ЛН

200 ч>

Возбуждения

(фаза)

N £

1 0

2 -253.6

3 -112

4 -332

5 -188

6 -23.8

7 -218

8 -47.56

> Плоская антенная решетка

Были изготовлены и испытаны (в X диапазоне), две антенны с остронаправленной и секторной (широкой) ДН. Характеристики излучения определялись соответствующими шаблонами, задававшимися в плоскостях Е и Н этих антенн (для линейной поляризации).

Первая антенна представляет собой направленную антенну с остронаправленным главным лепестком ДН в двух главных плоскостях.

Вторая антенна представляет собой антенну с секторным главным лепестком ДН в одной (основной) плоскости и с направленным лепестком в ортогональной плоскости.

Были измерены ДН на основной поляризации и на кросс поляризации в плоскостях Е и Н (рис.14, и рис.15). Уровень кросс-поляризация в целом оказывается ниже -20 дБ.

о

О'

-40. , ./ . .1,--—---- АУ. . > . ,

-90 -60 -30 0 30 60 90

60 эо е°

—,—,—_—; , \ 1( 11. . , 1,—, -90 -60 -30 0 30 60 90 е° — Главнаяполяризация --Кроссполяризация

— Главная поляризация --Кросс поляризация

Рис.15. ДН секторной решетки в плоскостях Е и Н

Заключение: Диссертация посвящена разработке микрополосковых антенных решеток со сложными и управляемыми характеристиками направленности для применения в системах мобильной связи Ливана, а также развитию и усовершенствованию методики проектирования и оптимизации параметров таких антенных систем на основе применения электродинамического анализа и синтеза в сочетании с экспериментами. В литературе описаны многочисленные методы синтеза антенных решеток. Большая часть этих методов использует упрощающие гипотезы и не позволяет принять в расчет ряд ограничений, определяемых структурой системы связи, а также ограничений на ДН антенны, что ограничивает их применимость. Описанный в диссертации подход к синтезу АР оказывается эффективным, гибким и достаточно общим для формулировки задачи синтеза АР с любыми видами ограничений на характеристики АР, включая теоретические проблемы, связанные с излучением решетки, и практические ограничения, обусловленные конструктивными особенностями АР и ее схемы питания.

1. Оллейк Ш., Раммал X., Раммал М. Общий метод синтеза цилиндрических антенных решеток применительно к направленной и конформной диаграммам направленности специальной формы // Антенны, 2009, № 10, с. 26-30.

2. Оллейк Ш., Раммал М. Фазовый синтез цилиндрической дуговой антенной решетки // Антенны, 2010, № 1, с. 22-26.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

3. Оллейк Ш., Фадлаллах Н., Раммал М. Исследование эффекта взаимной связи во многолучевых антенных решетках II - Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова. Тезисы докладов. - М: МЭИ, 2008, с. 59. (на английском языке).

4. Оллейк Ш., Раммал М., Фадлаллах Н. Проектирование и реализации печатных антенных для радиолиний в X диапазоне // - Труды 19-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Украина, г. Севастополь, 14-18 сентября, 2009 г., доклад № 84. (на английском языке).

Подписано в печать Лб^ОЛ • // Зак. 36 Тир. Пл. Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д. 13

СОДЕРЖАНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ И ОПТИМИЗАЦИИ МИКРОПОЛОСКОГО ЭЛЕМЕНТА И МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ.

1.1. Конфигурация микрополосковой антенны.

1.2. Принцип работы микрополосковой антенны.

1.3. Основные характеристики микрополосковых антенн.

1.3.1. Резонансная частота антенны.

1.4. Расчет параметров микрополосковых антенн.

1.4.1. Ширина прямоугольного излучателя.

1.4.2. Эффективная диэлектрическая проницаемость излучателя.

1.4.3. Длина излучателя.;.-.•.

1.4.4. Фактическая (эффективная) длина патча.

1.4.5. Размеры плоскости заземления (Экрана)

1.4.6. Ширина частотного диапазона антенны (А/).

1.4.7. Определение местоположения точки питания (x/, yj).

1.4.8. Коэффициент связи (взаимное влияние) излучателей микрополосковых антенных решеток.

1.5. Расчет антенны резонаторного типа с линейной поляризацией.

1.5.1. Диаграммы направленности.

1.5.2. Входная проводимость антенны.

1.6. Проектирование микрополосковых антенных решеток.

1.7. Анализ микрополосковых антенн с помощью EDA-программ.

1.7.1. Методы конечных разностей во временой области.

1.8. Характеристики излучающего элемента и экспериментальные данные.

1.8.1. Определение характеристики излучения.

1.8.2. Концепция и реализация элементарной антенны в диапазоне GSM.

1.8.3. Диаграммы направленности.

1.9. Эффект взаимного влияния.

1.9.1. Характер взаимной связи.

1.9.2: Расчет матрицы sy.

1.9.3. Экспериментальная оценка эффекта взаимной связи между двумя элементами.

1.10. Анализ вилияния эффекта взаимной связи на характеристики излучения антенной решетки.

1.11. Выводы.

2. СИНТЕЗ МИКРОПОЛОСКОВЬЕХ РЕШЕТОК.

2.1. Задача синтеза антенной решетки.

2.2. Цель исследования и постановка задачи синтеза.

2.3. Определение критерия ошибки.

2.3.1. Критерий ошибки.

2.3.1.1. Среднеквадратический критерий.

2.3.1.2. Чебышевский критерий.

2.3.1.3. Время расчета и точность полученных результатов.

2.3.1.4. Учет ограничений практической реализации.

2.3.1.5. Ограничения на синтезируемую функцию.:.:.•.

2.3.1.6. Возможность синтеза вещественной или комплексной диаграммы направленности.

2.4. Методы синтеза.

2.4.1. Выбор метода синтеза линейной решетки (минимаксный метод оптимизации).'.:. 58 ' "

2.4.2. Постановки задач вещественного и комплексного синтеза.

2.4.2.1. Вещественный синтез (частный случай).

2.4.2.2. Комплексноый синтез (синтез по мощности).

2.4.3. Возможность учета эффекта взаимного влияния.

2.5. Структура программного обеспечения (программа SARA).

2.6. Синтез линейных решеток с помощью программа SARA.

2.7. Метод синтеза конформных (цилиндрических) решеток.

2.7.1. Переход от линейной задачи к цилиндрической задаче.

2.7.2. Минимаксный метод, применяемый при синтезе цилиндрических решеток

2.7.2.1. Формулировка задачи синтеза.

2.7.2.2. Вещественный и комплексный синтез в случае цилиндрической решетки.

2.8. Алгоритм минимаксного метода синтеза.

2.9. Синтез цилиндрических решеток с помощью программы SARA.

2.10. Выводы.

3. ПРАКТИЧЕКАЯ РАЗРАБОТКА МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ

3.1. Экпериментальные результаты.

3.2. Исследование эффекта взаимной связи на диаграмму направленности 4-х элементной линейной решетки.

3.3. Восьмиэлементная линейная антенна решетка (направленная решетка).

3.3.1. Первая линейная решетка.

3.3.2. Вторая линейная решетка.

3.4. Цилиндрическая антенная решетка.

3.4.1. Результаты моделирования и измерения.

3.5. Плоская антенная решетка

3.5.1. Технические характеристики и конструкции антенн.

3.5.1.1. Антенна с секторной ДН (секторная антенна).

3.5.1.2. Антенна направленного излучения (направленная антенна).

3.5.2. Выбор излучающего элемента.

3.5.3. Расчет параметров решеток.

3.5.4. Конструкция диаграммобразующей схемы.

3.5.5. Экспериментальные результаты.

3.5.6. Диаграммы направленности.

3.5.7. Согласование.

3.6. Выводы.

Актуальность проблемы

В последние годы, в связи с развитием новых технологий, область телекоммуникаций испытывает быстрый рост, продолжающийся в настоящее время, несмотря на трудности современной экономической ситуации. Для удовлетворения растущих потребностей беспроводной широкополосной связи, связные системы будущих поколений должны использовать более эффективные антенны. Таким образом, для развития беспроводных сетей связи требуются технологические достижения в области электронных компонентов, программного обеспечения, методов кодирования, а также антенн, так как антенна является одним из ключевых элементов беспроводных сетей. В частности, антенна базовой станции должна быть адаптирована к конкретным условиям работы радиосистемы.

Примерно с 2005 года в Ливане происходит широкое распространение и интенсивное развитие новых поколений телекоммуникационных систем, персональных систем связи и различных беспроводных локальных сетей связи. Однако, возрастающее число радиосредств увеличивает электромагнитное заполнение и загрязнение эфира и приводит к существенному увеличению числа нежелательных помех от близко расположенных радиоисточников, существенно снижая производительность систем связи. В связи с этим резко возрастает потребность в новых антенных конструкциях и методиках их проектирования, способных обеспечить повышение помехоустойчивости и экологичности радиосистем.

Применительно к сложной современной обстановке в Ливане чрезвычайно актуальной становится решаемая в диссертации задача всесторонней оптимизации микрополосковой антенной системы, включая как оптимизацию свойств отдельного элемента решетки, так и построение наилучшей геометрии самой решетки безотносительно к типу ее элементов. Наиболее существенными критериями настоятельно необходимой оптимизации оказываются: 1) реализация требуемой формы диаграммы направленности (ДН), 2) реализация возможности управления этой формой, и 3) сохранение качества ДН и приемлемого уровня согласования входов в возможно более широкой полосе рабочих частот.

Таким образом, данная диссертационная работа посвящена решению весьма актуальной задачи оптимизации и расширения функциональных возможностей конкретных антенных решеток для базовых станций телекоммуникационных систем Ливана.

Целью диссертационной работы является:

Разработка конкретных микрополосковых антенных решеток и развитие методики их всесторонней интерактивной оптимизации на основе:

1) достаточно строгого электродинамического анализа излучающей системы;

2) вспомогательных измерений;

3) подходящего теоретического синтеза характеристики направленности (то есть, отыскания физически реализуемого распределения возбуждения источника, воспроизводящего требуемую диаграмму направленности с допустимой ошибкой);

4) интерактивного поиска наилучших технических решений для выбранной конструкции антенной системы по ряду критериев (по диапазонности и возможностям управления формой диаграммы направленности, по расширению допустимой области сканирования, по качеству согласования входов и др.). Именно построение такого сочетания методов и приемов для создания конкретных антенных устройств в системах мобильной связи составляет цель исследований автора.

Объекты исследований

В первую очередь необходимо подобрать тип излучающих элементов для конкретных разрабатываемых антенных решеток. В качестве излучающих элементов антенной решетки для связных систем Ливана наиболее перспективны микрополосковые излучатели^, способствующие миниатюризации аппаратуры, повышению уровня интеграции электронных схем, и обеспечивающие повышенную технологичность на стадии производства. В конструкциях реальных решеток управление комплексными весовыми коэффициентами возбуждения таких излучателей легко реализуется с применением технологии печатных СВЧ схем. Особо следует подчеркнуть важность оптимизации излучающего элемента. При правильном проведении оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией.

Наиболее простыми объектами являются линейные антенные решетки. В диссертационной работе разработаны и исследованы две решетки. Первая решетка состоит из 4-х идентичных микрополосковых элементов и предназначена для работы на частотах 890-960 МГц (полоса GSM). Вторая решетка состоит из 8-ми идентичных микрополосковых элементов и предназначена для работы на частотах —2.45 ГГц.

Более сложными являются конформные антенные решетки на криволинейной поверхности. В диссертационной работе разработаны и исследованы две цилиндрические микрополосковые решетки, предназначенные для формирования управляемых лучей в расширенном секторе обзора. Первая антенна состоит из 8 элементов, а вторая антенна состоит из 16 элементов. В конформных решетках излучающие элементы ориентированы в различающихся направлениях, и поле излучения не Прототипом подобных излучателей являются бортовые маловыступающие антенны в виде прямоугольных и треугольных металлических накладок, разработанные в 50-х - 60-х годах прошлого века в ОКБ МЭИ и на кафедре Антенных устройств МЭИ под руководством проф. Маркова Г.Т. и проф. Попереченко Б Л. представимо в виде произведения характеристики элемента на множитель решетки. Это приводит к существенному усложнению математической модели, описывающей решетку. Для первой антенны производятся численное моделирование и экспериментальные исследования. Для второй антенны выполнены только экспериментальные исследования.

Наконец, в диссертационной работе по технологии печатных цепей разработаны конструкции двух плоских антенных решеток (одна с направленной диаграммой, а вторая с секторной диаграммой), предназначенных для организации многоточечной связи в 3-см диапазоне волн.

Оптимальный выбор параметров каждой антенной решетки предполагает приближение в определенном смысле ее реализованной ДН к требуемой. Из множества характеристик антенной решетки при оптимизации наиболее значимы следующие параметры: 1) тип элементов, 2) число элементов, 3) позиции и ориентации элементов, 4) амплитуды и фазы возбуждения входов решетки. В диссертации рассматриваются вопросы фазового синтеза ДН антенной решетки в минимаксном приближении.

Методы исследования

Характеристики направленности микрополосковых излучающих элементов определяются численным моделированием, либо экспериментально. Ряд параметров элементов (резонансные частоты, частотное поведение входного сопротивления и др.) находятся с помощью вычислительной программы электродинамического анализа методом конечных разностей во временной области (РОТО). Входные импедансы излучающих элементов согласуются с сопротивлениями питающих линий стандартными методами теории цепей СВЧ. Для синтеза ДН антенной решетки используется численный минимаксный метод оптимизации.

Научная новизна

В диссертационной работе представлен новый подход к комплексной разработке многоэлементных микрополосковых антенных систем, проведены теоретические исследования (включая численную оптимизацию на основе теории минимакса), выполнены экспериментальные исследования различных допустимых конфигураций антенных решеток. Предложена новая комплексная методика разработки передающих связных антенных решеток, включающая в себя: 1) сочетание теоретических методов анализа и синтеза линейных, плоских и конформных антенных решеток с дополнительными экспериментальными исследованиями; 2) возможность видоизменения формы характеристики направленности, и отклонения ее лепестков на нужного корреспондента за счет изменения только фаз возбуждения элементов; 3) учет и компенсацию эффекта взаимного влияния между элементами антенных решеток, оказывающего существенное влияние на предельно достижимые оптимальные параметры антенной системы.

Данная методика практически реализована и экспериментально исследована при разработке ряда конструкций конкретных микрополосковых антенных систем, предназначенных для применения на базовых станциях систем мобильной связи Ливана. Особо следует подчеркнуть новизну и важность предложенной оптимизации отдельного излучающего элемента. При предлагаемых в диссертации методах оптимизации элемента и надлежащем выборе критериев синтеза решетки становится возможным реальное смягчение ограничений, навязываемых практической реализацией. Серьезное значение при управлении диаграммами направленности антенных решеток имеет эффект взаимного влияния между элементами.

Основные положения, представленные к защите

Электродинамический анализ микрополоскового излучающего элемента методом конечных разностей во временной области, и численный метод оптимизации излучающего элемента на основе минимаксного критерия.

Комплексная оптимизация нескольких видов передающих связных антенных решеток (линейная решетка, цилиндрическая решетка, и плоская решетка) с использованием специального программного обеспечения для синтеза антенных решеток (SARA). Учет и компенсация эффекта взаимного влияния элементов решетки. Расчеты, эксперименты, и результаты сопоставления расчетных и экспериментальных результатов. Выводы и рекомендации по итогам исследований.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов обеспечены применением только адекватно построенных и общепризнанных математических и физических моделей на основе тщательного теоретического анализа, а также разумным выбором сочетания этих моделей в предложенной методике разработки антенных систем. Достоверность теоретических результатов окончательно установлена и подтверждена многочисленными экспериментами и сравнением с данными других опубликованных исследований.

Практическая значимость и внедрение

В процессе работы создано специальное программное обеспечение SARA для синтеза антенных решеток (SARA = Synthesis of Array Antenna). В основу численного метода оптимизации положена теория минимакса, согласно которой минимизируется максимальная разность между реализуемой диаграммой направленности и ее заранее заданным шаблоном. Пользователь предварительно задает число и расположение элементов, а также диаграмму направленности элемента решетки. В процессе оптимизации определяются требуемые амплитуды и фазы возбуждающего сигнала для каждого элемента решетки. Опционально принимаются во внимание, или не принимаются, взаимные связи между элементами. Программное обеспечение SARA (которое далее называется также программа SARA) позволяет осуществлять синтез антенных решеток различной геометрии, как-то: линейных, плоских и конформных.

В процессе научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности автора диссертации созданы конкретные образцы трех типов микрополосковых антенных решеток для базовых станций мобильной связи Ливана. В результате оптимизации, проведенной на основе положений данной диссертации, технические характеристики этих решеток близки к предельно достижимым. Конструкции решеток успешно прошли этап испытаний, и приняты к реализации в Ливане.

Апробация Результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры Антенных устройств МЭИ в 2008 -2009 г.г., на семинарах в Ливанском университете г. Сайда в 2007 - 2009 г.г., а также докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова, Россия, Мосьсва (МЭИ), 21-23 октября 2008 г.

2. 19-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (CriMiCo'2009), Украина, г. Севастополь, 14-18 сентября 2009 г.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка. Работа содержит (137) страниц машинописного текста. Список литературы включает (62) наименований на (6) страницах.

2.6. Выводы

При рассмотрении проведенных диаграмм направленности линейных решеток, заметно, что, эффект взаимного влияния мало сказывается при углах сканирования меньше 50°. Однако этот эффект может значительно исказить ДН при углах сканирования, больших 50°. Этот эффект компенсируется с использованием методов синтеза, построенных принимая во внимании изменения возбуждений, вызванные взаимным влиянием.

В отличие от линейной антенной решетки, использование цилиндрической антенной решетки позволяет достичь потенциального углового диапазона перекрытия, равного 360°, но в таких решетках ДН каждого элемента значительно влияет на ДН решетки в целом.

Использованный метод синтеза продемонстрировал высокую эффективность использованного метода аппроксимации и коррекции функции ошибки. Это было доказано сходимостью метода и близостью синтезированных ДН к измеренным ДН. Кроме того, применение метода синтеза на основе минимаксного критерия демонстрирует эффективность и большую надежность этого метода при синтезе ДН плоской решетки, как это было показано на примере направленной и секторной решеток.

Были проанализированы два типа антенн, реализованных на базе печатной технологии. Реализованные антенн удовлетворяют техническим требованиям на ширину главного лепестка и коэффициент усиления. Заданные значения этих характеристик были выбраны для повышения эффективности системы беспроводной связи, антенны которой должны иметь высокий КУ и низкий УБЛ. В целом, КУ таких антенн может достигать 30 дБ, но полоса пропускания довольно узкая (менее 2%), что ограничивает их использование в приложениях, в которых требуется относительно небольшая ширина полосы частот и средние значения КУ.

1. Заключение

Применение концепции адаптивных антенн в сети связи позволяет применять адаптацию диаграммы направленности в направлении каждого пользователя. Минимизация излучения в определенных направлениях может исключить помехи передачи, которые могли бы нарушить другие линии связи или уменьшить поток передачи данных. Наконец, управление уровнем излучения в некоторых определенных направлениях позволяет избежать взаимных помех с другими радиосистемами или повреждения радиооборудования и в то же время сохраняет окружающую среду, обеспечивая снижение электромагнитного загрязнения.

В этой работе, была разработана концепция синтеза и оптимизации характеристик линейной, цилиндрической и плоской антенных решеток с возможностей применения полученных результатов в области адаптивных антенн. Были предложены подходы к усовершенствованию существующих методов формирования луча в частности подходы к устранению влияния помех для линейных и цилиндрических АР, используемых в связных сетях и в частности в антенн диапазона GSM. Разработанные методы синтеза учитывают различные ограничения, связанные с особенностями адаптивных антенн с формированием луча. Преимуществами и отличительными особенностями данной работы являются: Применение методов синтез ДН для АР, имеющих линейную (плоскую) и конформную (цилиндрическую) геометрию. Возможность создания многолучевой диаграммы в широких угловых зонах. Возможность создания нулей во всей зоне сканирования. Возможность синтеза диаграммы с помощью управления только фазовым распределением, или путем управления, как амплитудами, так и фазами возбуждений элементов АР.

Задание требований к модулю ДН с помощью шаблона. Уровень --КУ и УБЛ контролируются весовыми функциями во всех зонах образующих область синтеза. Для линейных решеток, описаны 2 типа решения задачи синтеза: комплексное решение и вещественное решение (частный случай). Это последнее решение использует сопряженность комплексного возбуждения относительно оси решетки. Это тип возбуждения обеспечивает оптимальные результаты в случаях направленных решеток.

В первой главе, были рассмотрены микрополосковые антенны, которые получили широкое распространение на рынке мобильных телефонов. Было Уделено большое внимание их характеристикам с целью оптимизации в АР, исследованных данной работе, в которых применяются микрополосковые антенны в качестве излучателей (излучающих элементов). Оптимизация характеристик этих элементов была выполнена с применением метода конечных разностей во временной области (FDTD), который основан на решении уравнений Максвелла.

Во второй главе, был предложен метода синтеза линейных и конформных решеток на основе минимаксного критерия. Использованный в этой работе метод оптимизации основан на алгоритме итерационного решения систем нелинейных уравнений с использованием минимаксного критерием. Кроме того, применятся метод синтеза ДН с управлением фазовым распределением возбуждения. Было отработано ПО (SARA -Synthesis of ARray of Antennas), которое позволило протестировать этот метод синтеза на линейных антенных решетках для различных заданных ДН (направленная ДН, многолучевая ДН и формирование нулей ДН). В частности, примененный метод синтеза был протестирован на примерах формирования различных типов направленных лучей с нулями, формирования сканирующих ДН в угловом секторе пространства от -50° до +50°. Полученные результаты были признаны удовлетворительными, а время расчета составлено доли секунды. Кроме того, в этой главе было представлено расширение минимаксного метода на случай синтеза конформных решеток (на примере цилиндрической решетки), в которых ДН каждого элемента изменяется в зависимости от положения элемента в решетке и, следовательно, ДН каждого элемента влияет на ДН решетки. Геометрия цилиндрических решеток позволяет обеспечить сканирование в широком угловом секторе; следовательно, необходимо было рассмотреть новые направления оптимизации антенной системы. Минимаксный метод был протестирован на примерах формирования направленных ДН, многолучевых ДН и создания нулей в заданных направлениях. Были получены удовлетворительные результаты при широком угловом секторе сканирования. Результаты моделирования с использованием амплитудно-фазового и фазового управления демонстрируют хорошее качество формирования луча в заданном направлении.

В третьей главе, были рассмотрены вопросы реализации антенных решеток (линейных, цилиндрических и плоских АР), использованных для проверки результатов моделирования. Эти антенны были построены на основе технологии микрополосковых и печатных антенн. Ввиду их многочисленных преимуществ, такие антенны могут быть использованы в различных областях, прежде всего в области мобильной связи (на спутниках, самолетах, автомобилях, ракетах, а также в и портативных или мобильных телефонах). Результаты проведенных в безэховой камере, экспериментов для различных угловых направлений подтвердили эффективность и гибкость подхода к решению задачи с использованием предложенного метода синтеза АР, при наличии любых видов ограничений на характеристики АР, включая ограничения, отражающие теоретические проблемы, связанные с излучением решетки и практические ограничения, обусловленные конструктивными особенностями АР и ее схемы питания.

2. Перспективы — —-------

Перечислим некоторые перспективы дальнейшего развития результатов данной работы: Развитие метода синтеза с целью повышения эффективности определения весов амплитудного и фазового распределений возбуждения. Развитие минимаксного метода синтеза с целью получения эффективного метода синтеза пространственных ДН. Обобщение разработанного подхода на анализ и синтез антенных решеток более сложных конструкций (например, спутниковых антенн). Развитие метода синтеза конформных (цилиндрических) решеток на решетки с изменением поляризации.

Реализация и применение высокоточных разрешений алгоритмов (MUSIC, ESPRIT) для оценки и определения направлений прихода сигналов в проектируемой системе. Рассмотрение возможности реализации нейросетевых методов для решения задачи синтеза в реальном времени.