автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Разработка методик проектирования и технологий настройки и эксплуатации антенн диапазонов ВЧ - УВЧ, размещаемых в укрытиях

На правах рукописи

005001742

Колояров Игорь Анатольевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ НАСТРОЙКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АНТЕНН ДИАПАЗОНОВ ВЧ - УВЧ, РАЗМЕЩАЕМЫХ В УКРЫТИЯХ

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

1 о НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2011

005001742

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бузов А.Л.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Глущенко А.Г.,

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт автоматики» (ФГУП НИИА), г. Москва.

Защита диссертации состоится 18 ноября 2011 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией соискателя можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГОБУ ВПО ПГУТИ.

Автореферат разослан" №по*гЯбРЯ 2011 г.

г. Самара.

- кандидат технических наук

Мущенко В.И., г. Москва.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.003.02, доктор технических наук, профессор

Мишин Д.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и состояние вопроса

Современный этап развития в области техники и технологий антенн и антенно-фидерных устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения, как, впрочем, и для большинства областей техники телекоммуникаций, характеризуется тенденцией к снижению роли экстенсивных факторов развития и удовлетворению возрастающих требований к техническим и технико-экономическим характеристикам изделий преимущественно на основе использования новых материалов, передовых технологий и других инновационных решений.

Не является исключением и область технологий создания и эксплуатации антенн ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазонов, размещаемых в укрытиях. Главной особенностью этого класса антенн, при всем многообразии конкретных конструкций и функций укрытия (защита антенны от воздействия неблагоприятных факторов, снижение аэродинамического сопротивления, маскирование и т.д.) является присутствие в непосредственной близости от излучающей системы достаточно протяженных диэлектрических тел, оказывающих заметное влияние на характеристики антенны.

В свете упомянутых выше тенденций настоятельно необходимо создание технических решений и технологий, обеспечивающих не только максимальный учет влияния укрытия, но и целенаправленное формирование его геометрических, электрофизических и иных свойств в целях улучшения характеристик антенны.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема совершенствования методик и технологий проектирования, настройки и эксплуатации антенн диапазонов ВЧ, ОВЧ и УВЧ, размещаемых в укрытиях.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Распространенным типом антенн с укрытиями являются низкопрофильные антенны абонентских станций подвижной радиосвязи (включая специальную), размещаемые на подвижных объектах. Жесткие требования к параметрам назначения таких антенн и одновременно - к массогабаритным характеристикам и пр. обусловливают использование в составе таких антенн компактных узкополосных излучателей высокой добротности. При этом резко возрастает чувствительность характеристик назначения к параметрам укрытия и к температурным изменениям этих параметров.

Аналогичные, по сути, проблемы возникают и при создании современных широкополосных панельных излучателей для передающих антенных систем телевизионного вещания (включая цифровое) в IV-V телевизионных диапазонах. И в этом случае повышенная температурная нестабильность

параметров укрытия приводит к трудностям реализации заданных характеристик назначения антенны.

В связи с большой потребностью в подобных антеннах направление теории и техники низкопрофильных малогабаритных антенн с укрытиями интенсивно развивается. Активно публикуются патенты и патентные заявки на низкопрофильные антенны, среди которых можно отметить патенты A.JI. Бузова, JI.C. Казанского, X. Тамаоки (Н. Tamaoka) и др. Наряду с патентами на изобретения в настоящее время активно изучаются новые свойства и возможности использования таких антенн. Наиболее популярными по количеству публикаций и использования на практике являются низкопрофильные всенаправленные излучатели семейства планарных инверсных L- и F-образных антенн. Среди таких работ можно отметить работы A.C. Мальцева, М.А. Петрова, В.И. Слюсара и др.

«Острая» настройка низкопрофильных малогабаритных антенн требует более тщательного расчета их характеристик, влияющих на согласование антенн. Это ужесточает требования к расчетным методам анализа как антенн в целом, так и влияния диэлектрического колпака и особенно его температурной нестабильности.

Среди всего многообразия методов решения подобных задач следует выделить предложенный JI.C. Казанским и развитый в работах других авторов (М.А. Минкин, Е.В. Бондарь) метод обобщенной эквивалентной цепи (ОЭЦ). Метод ОЭЦ обеспечивает достаточную эффективность при анализе электрически толстых проводников и достаточно универсален в смысле формы поперечного сечения. Метод, имея точность, соответствующую методам решения интегральных уравнений, позволяет получить явную зависимость между физическими параметрами и величинами элементов эквивалентной цепи.

Кроме того, метод ОЭЦ позволяет на единой методологической основе и в рамках единой модели обеспечить анализ электродинамических систем, содержащих как металлические, так и диэлектрические элементы, в том числе - анализ температурной стабильности характеристик системы и учет влияния технологических допусков на основе использования аппарата теории параметрической чувствительности. Так как в данной работе предполагается исследование сложных тел, в частности, антенн, располагаемых в защитных диэлектрических укрытиях, то применение метода ОЭЦ здесь особенно удобно.

В то же время, разработанные до настоящего времени на этой основе методики проектирования антенн и антенно-фидерных устройств ориентированы исключительно на выбор оптимальных геометрических, электрофизических и теплофизических параметров проводников. Параметры диэлектрических элементов при этом не варьируются, а нередко и не учитываются. Поэтому автором была разработана методика проектирования антенн под-

вижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности.

В рамках рассматриваемой проблематики следует также отметить большой класс задач, где укрытие, не входя в состав собственно антенны, тем не менее, оказывается существенной неотъемлемой частью излучающей системы в рамках технологии производства антенн. Подобная ситуация возникает при необходимости обеспечения проверки и настройки антенны в ходе ее изготовления в условиях производственного помещения. Проведение измерений с периодическим перемещением антенны на открытый полигон или в безэховую камеру представляет собой весьма затратный и крайне нетехнологичный вариант решения проблемы, особенно для крупногабаритных антенн. Для этого автором была разработана технология, обеспечивающая адекватность результатов проверки и настройки в присутствии укрытия, причем в данном случае укрытие (помещение) представляет собой систему диэлектрических тел с проводящими фрагментами.

Наконец, важным, хотя и не столь распространенным типом антенн, размещаемых в укрытиях, являются подземные (защищенные) антенны высокой стойкости ВЧ диапазона. Их исследованиям посвящено большое количество работ, среди которых следует отметить как классические труды Г.А. Лаврова, A.C. Князева, Р. Кинга (R.W.P. King), так и современные Ю.И. Кольчугина, В.В. Юдина и др. При этом основное внимание в них уделяется моделированию таких антенн с учетом диэлектрических укрытий, определению их основных характеристик. Также рассматриваются вопросы обеспечения прочности к воздействию внешних разрушающих факторов и способы повышения эффективности защищенных антенн.

Однако, в данном случае, помимо необходимости учета параметров укрытия при создании антенны, возникают существенные проблемы обеспечения ее работоспособности (боеготовности) на протяжении всего жизненного цикла. Дело в том, что излучающая система такой антенны физически недоступна (монолитное неразборное укрытие), а применение типовых методов проверки электрических характеристик (с подачей на вход антенны каких-либо испытательных сигналов) не допускается предъявленными к антенне специальными требованиями. Для восполнения этого пробела автором был разработан ряд методик оценивания целостности излучающей структуры и периодического контроля общей работоспособности подземных антенн, а также определения основных характеристик антенн в пассивном режиме.

Цель работы - совершенствование методик проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания ОВЧ-УВЧ диапазонов в части учета температурной нестабильности диэлектрических укрытий, совершенствование технологий производства крупногабаритных антенн, предполагающих промежуточные измерения и настройки в процессе изготовления, создание технологий эксплуатации защищенных подземных антенн спецсвязи диапа-

зона ВЧ, обеспечивающих повышение боеготовности систем связи.

Для достижения поставленной цели в работе выполнена следующая программа исследований

1. Разработка электродинамической модели антенн подвижной радиосвязи и телевещания в диэлектрических укрытиях.

2. Расчетные и экспериментальные исследования с целью обоснования возможности и целесообразности реализации термокомпенсации за счет противоположного действия геометрических и электрофизических изменений.

3. Разработка методики проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, позволяющей уже на ранних стадиях разработки исследовать эффекты, обусловленные температурной нестабильностью, и моделировать процессы термокомпенсации.

4. Разработка технологии настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях.

5. Разработка методики проверки коэффициента усиления недоступных подземных антенн.

6. Разработка методики проверки согласования недоступных подземных антенн.

7. Разработка методик оценивания целостности излучающих структур и периодического контроля общей работоспособности недоступных подземных антенн.

8. Разработка технологии эксплуатации недоступных подземных антенн диапазона ВЧ.

9. Практическая реализация разработанных методик и технологий.

Методы исследований

Методы вычислительной электродинамики, методы теории цепей и длинных линий, методы теории антенн, методы теории функций комплексного переменного.

Обоснованность и достоверность результатов работы

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

Научная новизна работы

1. Разработана новая методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, позволяющая уже на ранних стадиях разработки исследовать эффекты, обусловленные температурной нестабильностью, и моделировать процессы термокомпенсации.

2. Получены и экспериментально подтверждены новые результаты в части реализации термокомпенсации за счет противоположного действия геометрических и электрофизических изменений.

3. Разработана технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях, обеспечивающая существенное снижение издержек на проведение контрольных проверок и настроек.

4. Разработана технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях, включая частные методики проверки коэффициента усиления, согласования и оценки общей работоспособности, позволяющая осуществлять надежный контроль состояния недоступных антенн в процессе эксплуатации.

Личный вклад

Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной, получены автором лично.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработанная методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания позволяет уже на ранних стадиях проектирования исследовать эффекты, обусловленные температурной нестабильностью, и моделировать процессы термокомпенсации; в результате значительно повышается эффективность процесса проектирования в целом - сокращаются сроки разработки, затраты на экспериментальные исследования и доводку изделий и т.д.

2. Разработанная технология настройки крупногабаритных антенн в процессе их изготовления обеспечивает сокращение издержек на проведение контрольных проверок и настроек, что в свою очередь приводит к снижению числа технологических ошибок и их величин, к снижению риска появления неудовлетворительных экземпляров изделий (выявляемых на заводских испытаниях) и в конечном итоге к сокращению затрат на реализацию производственного цикла в целом.

3. Разработанная технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях, обеспечивает надежный контроль состояния недоступных антенн в процессе эксплуатации, повышая тем самым их коэффициент боевой готовности.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены при активном непосредственном участии автора в рамках выполнения работ в интересах государственных заказчиков. Использование результатов диссертационной работы позволило существенно повысить эффективность процессов проектирования, настройки и эксплуатации антенн диапазонов ВЧ - УВЧ, размещаемых в укрытиях. Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.

Апробация результатов работы

Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009), IX Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Челябинск, 2010), 20-й Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2010), XI Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Уфа, 2010), XVI, XVIII Российских научно-технических конференций ПГУТИ (Самара, 2009,2011).

Публикации

По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 18 печатных трудов. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 статьях в периодических научных изданиях, в том числе 6 статей - в журналах, включенных в определенный ВАК «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук», и в 8 публикациях в форме текстов и докладов на международных и российских конференциях.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы содержит 130 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 16 таблиц. Список литературы содержит 100 наименований.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности.

2. Новые результаты в части реализации термокомпенсации за счет противоположного действия геометрических и электрофизических изменений.

3. Технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях.

4. Технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Температура Т = Ту Укрытие

Раздел 1 посвящен разработке методики проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности.

Проведена классификация антенн с точки зрения специфики проблем, обусловленных температурной нестабильностью.

Обоснован выбор метода обобщенных эквивалентных цепей в качестве метода электродинамического анализа излучающей структуры антенны. Разработана электродинамическая модель антенны в диэлектрическом укрытии.

Разработан метод термокомпенсации за счет противоположного действия геометрических и электрофизических изменений. Принцип такой термокомпенсации проиллюстрирован на рис. 1. С увеличением температуры диэлектрическая проницаемость материала укрытия возрастает, способствуя уменьшению частоты настройки, но, благодаря расширению укрытия, возрастает и зазор между ним и проводником шлейфа, что способствует увеличению частоты настройки, компенсируя увеличение диэлектрической проницаемости.

Проведены исследования, в рамках которых выполнялось электродинамическое моделирование антенн с укрытиями из различных материалов в температурном диапазоне. В ходе исследований установлено, что использование только укрытия не позволяет в большинстве случае решить проблему термостабильности. В связи с этим предложено использовать специальные термокомпенсирующие вкладыши. На рис. 2 схематично показано размещение термокомпенсирующих вкладышей в низкопрофильных антеннах различного типа. Во всех случаях вкладыш размещается в области пучности поля.

Температура Т -

Еа2> Еа]

тжШтт

Рис. 1

/■ I N

Рис. 2

Проведены экспериментальные исследования антенн в диэлектрических укрытиях с термокомпенсирующими вкладышами и без таковых. В ходе исследований получены новые экспериментальные результаты, подтверждающие возможность термокомпенсации за счет противоположного действия электрофизических и геометрических изменений.

На основе проведенных исследований разработана методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности. Синтез излучающей структуры антенны выполняется известными методами. Разработка диэлектрического укрытия выполняется с учетом только конструктивных и технологических соображений; вопросы обеспечения термостабильности во внимание не принимаются. Элементом методики, обладающим новизной, является частная методика (алгоритм) разработки термокомпен-сирующего диэлектрического вкладыша, изображенная на рис. 3.

Раздел 2 посвящен разработке технологии настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях.

Проведен анализ проблем, возникающих при промежуточных измерениях и настройках в процессе производства антенн. Обоснована целесообразность выполнения этих операций в условиях производственных помещений. Показано, что такой подход обеспечивает значительное сокращение

т

Рис. 3

издержек на реализацию технологических циклов производства антенн.

Обоснованы возможность и целесообразность проведения тестовых измерений и настроек по методу сравнения, когда один образец антенны (эталонный) исследуется и настраивается в условиях антенного полигона или безэховой камеры, а остальные образцы сравниваются с ним уже в условиях производственных помещений. Обоснована целесообразность использования входных параметров (входной импеданс, коэффициент отражения, КБВ, КСВН) в качестве контролируемых.

Разработана методика измерений в условиях частично проводящего укрытия. Показано, что допуск на уклонение входного импеданса в условиях производственных помещений выражается некоторой окружностью Г] на плоскости комплексных значений импеданса. Установлены соответствия между импедансами эталонного образца, получаемыми в условиях антенного полигона или безэховой камеры (импеданс Z0) ив условиях производственных помещений (импеданс Z\), а также между соответствующими допусками.

Получено условие допустимого отклонения импедансов образцов антенны: \Z-cyгде cj.Pi - соответственно центр и радиус окружности Г], определяемые соотношениями:

с, = Re Z, ' P,=RcZ.^f-, (1)

где а - параметр, определяемый решением уравнения:

+ Мр)в{а)/2 Im2 с0(а)] -

-[l + 4{4a)/5(a)}2]-[4 +{ß(a)/2Imc0(a)}2

где /i(a)=Rec0(a)-c,f ; я(сс) = Ат2с0(а)-р^(а)-с^ ;

CW = 'Фтах + 1/Ктах )/2 J Р W= И^тах ~ V^max )/2 J функции с0(а), р0(а) определяются по формулам (1), где при этом должна быть выполнена замена 2, Z0.

На основе электродинамического моделирования показано, что тепловые потери в местных рассеивателях практически не влияют на соотношение между допусками.

Разработана технология контрольных проверок и настройки антенн в условиях частично проводящего укрытия. Определен порядок выполнения операций: проверка эталонного образца, его и настройка (в условиях антенного полигона), калибровка испытательного стенда (в условиях производственного помещения), проверки и настройки (при необходимости) других образцов в условиях производственного помещения. Разработан антенный

полигон для проверки направленных антенн метрового диапазона. Показано, что с целью минимизации вероятности ложных отбраковок согласование эталонного образца в условиях антенного полигона должно быть близко к идеальному.

Раздел 3 посвящен разработке технологии эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях.

Дана классификация подземных антенн. Выполнен анализ основных проблем, возникающих при их эксплуатации. В качестве наиболее проблемного выделен класс подземных защищенных антенн постоянной готовности, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях.

Разработана методика проверки коэффициента усиления антенны. Методика основана на измерениях поля от сигнала некоторой радиостанции и уровня сигнала этой же станции на входе испытуемой антенны. По измеренной величине поля определяется напряженность поля падающей волны в предположении, что взаимодействие последней с земной поверхностью происходит в соответствии с коэффициентами Френеля. Плотность потока энергии и мощность принятого сигнала однозначно связаны через эффективную площадь антенны и ее коэффициент полезного действия. При этом указанные измерения дают полную информацию для определения коэффициента усиления. Последний определяется по формуле: Т}2

С = 480гс2 2 ^Л< . (3)

ЕоЯу

Разработана методика проверки согласования антенны. Она основана на применении вспомогательного согласующего устройства, настройкой которого максимизируется уровень сигнала в режиме приема на испытуемую антенну. По соотношению напряжений с согласующим устройством и без него определяется коэффициент бегущей волны по следующей формуле:

К = 2

(N1 м

ы Рг\ 1

2

-1-1, 0<К<1. (4)

Разработаны методики оценивания целостности излучающей структуры и периодического контроля общей работоспособности антенны. Методика оценивания целостности излучающей структуры основана на экспериментальном определении картины поля над испытуемой антенной. Картина поля определяется на основе принципа взаимности в режиме приема на испытуемую антенну. При оценивании целостности излучающей структуры во внимание принимаются свойства симметрии картины поля (отвечающие симметрии самой антенны) и поляризационные свойства в плоскостях «электрических стенок». При этом имеется возможность определения абсолютных значений поля, что следует использовать при периодическом контроле. Методика периодического контроля общей работоспособности осно-

вана на периодическом наблюдении уровней принимаемых сигналов. Методика разработана в двух вариантах - с использованием вспомогательной передающей станции и использованием вспомогательной приемной антенны.

На основе данных методик разработана технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях. Определены состав и порядок выполнения различных технологических операций в процессе эксплуатации. Дан ряд рекомендаций по реализации разработанных методик. Обоснован состав измерительного и прочего технологического оборудования, необходимого при эксплуатации защищенных антенн постоянной готовности.

В разделе 4 изложены результаты практической реализации разработанных методик и технологий.

Предложенная автором методика проектирования размещаемых в диэлектрических укрытиях антенн с учетом температурной нестабильности реализована при создании малогабаритной низкопрофильной антенны абонентского терминала подвижной радиосвязи диапазона ОВЧ (антенна МАН) и низкопрофильного панельного излучателя на 1У-У телевизионные диапазоны. Внешний вид антенны МАН с укрытием и без него показан на рис. 4. В обоих случаях задача обеспечения термостабильности успешно решена применением специальных термо-компенсирующих вкладышей. На рис. 5 показана зависимость КСВН антенны МАН от температуры окружающей среды. На рис. 6 приведены диаграммы направленности телевизионного излучателя в Н плоскости на частоте 600 МГц.

Проведенные исследования подтвердили справедливость сделанного автором предположения о возможности обеспечения термостабильности за счет взаимной компенсации изменений электрофизических свойств и геометрических параметров и, в целом, работоспособность и эффективность предложенной методики проектирования.

Разработанная автором технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях, реализована в рамках общей технологии производства лого-периодических и турникетных излучателей для антенных решеток радиолокационных станций диапазона ОВЧ. Благодаря тому, что из каждого типа антенн только один образец (эталонный) исследовался и настраивался в условиях полигона (пример внешнего вида такого логопериодического излу-

Рис. 6

-50 -30 -10 0 10 30 Т,°С

чателя показан на рис. 7), существенным образом сокращены трудоемкость прочие статьи затрат на реализацию технологии изготовления антенн.

Рис- ^ Разработанная автором техно-

логия эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях, реализована в рамках экспертизы антенн данного класса на ряде действующих радиоцентров диапазона ВЧ. При этом оценивалась целостность излучающих структур антенн, и проверялось их согласование. По всем объектам (радиоцентрам) дано отрицательное заключение, в связи с чем было принято решение о замене существующих на тот момент антенн на новое поколение современных антенн разработки Филиала ФГУП НИИР - СОНИИР. При вводе в эксплуатацию новых антенн проведена их экспертиза, в рамках которой по предложенной

автором методике проверялся уровень согласования. Перед этим путем непосредственных измерений исследовался опытный образец антенны, изготовленный и смонтированный в ходе выполнения ОКР по созданию антенны. На рис. 8 представлены экспериментальные частотные характеристики опытного образца и изделия на одном из действующих радиоцентров. Все результаты экспериментальных исследований (включая сопоставления с результатами измерения опытного образца) подтвердили работоспособность и эффективность разрабо-

Рис. 7

таннои автором технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

Разработана методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности.

Разработана технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях.

Разработана технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях.

Выполнена практическая реализация разработанных методик и технологий.

В Приложении приведены акты внедрения результатов диссертации.

10 f, МГц

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Гутгарц, A.B. Малогабаритная антенна мобильной связи / A.B. Гутгарц, И.А. Колояров, А.Д. Красильников, В.Н. Мирошников, A.B. Павлов // Вестник СОНИИР. -2002. -№2(2). -С.24-26.

2. Колояров, И.А Проблемы и перспективы в области технологий ремонта и технического обслуживания ангенно-фодерного оборудования на действующих радиотехнических объектах / И А Колояров // Вестник СОНИИР. - 2008. - №4(22). - С.4-8.

3. Асадуллин, Р.Н. Экспериментальные оценки качества приема при различных вариантах конструктивного исполнения и пространственной ориентации вибраторов малогабаритной активной антенны ДКМВ диапазона / Р.Н. Асадуллин, И.А Колояров // Вестник СОНИИР. -2008. -№4(22). -С. 11-14.

4. Асадуллин, Р.Н. Экспериментальные исследования приемных малогабаритных активных антенн с различными видами поляризации / Р.Н. Асадуллин, И.А. Колояров, А.Д. Красильников // XVI Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГАТИ. Материалы конференции - Самара, январь 2009. - С.144-145.

5. Бузов, A.JI. Пути повышения эффективности вибраторных антенн на основе использования метаматериалов с микро- и нановключениями / А.Л. Бузов, И А Колояров // XVI Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГАТИ. Материалы конференции-Самара, январь 2009. - С. 149-150.

6. Казанский, JI.C. Электродинамическое моделирование метаматериалов на основе метода обобщенной эквивалентной цепи / Л .С. Казанский, И.А. Колояров //

Вестник СОНИИР. - 2009.-№1(23). - С.54-58.

7. Казанский, Л.С. Возможности исследования макроскопических электродинамических характеристик метасред методом обобщенной эквивалентной цепи / Л.С. Казанский, И.А. Колояров, МА. Минкш // XV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, апрель 2009 г.). - Воронеж, 2009. -С.550-556.

8. Бондарь, Е.В. Создание высокоэффективных систем очистки воздуха в камерах окраски антенн: проблемы, типовые ошибки и пути решения / Е.В. Бондарь, И.А. Колояров // Антенны. - 2010, -№4(155). - С.65-69.

9. Капишев, А.Н. Варианты построения низкопрофильных антенн метрового и дециметрового диапазонов / А.Н. Капишев, И.А. Колояров, А.Д. Красильников // Антенны.-2010.-№4(155). -С.21-25.

10. Колояров, И.А. О фрактальных антеннах в качестве антенн базовых станций подвижной связи / И. А. Колояров, АД. Красатьников // Антенны. - 2010. - №4(155). - С.26-30.

11. Колояров, И.А Технология промежуточных измерений и настроек в процессе производства крупногабаритных антенн / И.А Колояров // Труды НИИР. -2010. - №2. - С.26-32.

12. Колояров, И.А. Организация технологических измерений параметров антенн в условиях производственных помещений / И.А. Колояров // Труды 20-й Международной конференции «СВЧ-техиика и телекоммуникационные технологии» (13-17 сентября 2010 г., г. Севастополь, Крым, Украина). - Севастополь, 2010. - С.961-962.

13. Колояров, И.А Контроль состояния подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях / И. А Колояров // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы IX Международной научно-технической конференции / Под общ. ред. В .И. Тамбовцева. - Челябинск: Изд. ЧелГУ, 2010. - С.64-65.

14. Колояров, И.А Основы технологии эксплуатации подземных коротковолновых антенн систем резервной радиосвязи / ИА. Колояров II Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: материалы XI Международной научно-технической конференции. -Уфа: Изд. УГАТУ, 2010.-С.208-210.

15. Колояров, И.А Обеспечение постоянной готовности недоступных подземных антенн ДКМВ диапазона / И А Колояров // Труды НИИР. - 2010. -№4. - С.63-67.

16. Колояров, И.А. Разработка электродинамической модели антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, для решения проблемы термонесгабильности их характеристик / И.А. Колояров // XVIII Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ. Материалы конференции - Самара, 2011 -С. 158.

17. Колояров, И.А. Технология контрольных проверок и настройки крупногабаритных антенных элементов в условиях ограниченного пространства производственных помещений / И.А. Колояров, АД. Красильников, АВ. Невский И XVIII Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ПГУТИ. Материалы конференции - Самара, 2011 - С. 159.

18. Бузова, М.А. Методики оценивания коэффициента усиления и коэффициента бегущей волны подземных антенн / М.А. Бузова, И.А. Колояров // Электросвязь. -2011. - №5. - С.32-34.

Подписано в печать 10.10.2011 г.

Формат 60x84/16. Печать оперативная. Бумага офсетная.

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 56.

Типография ООО "Инсома-пресс", 443011, г. Самара, ул. Советской Армии, д. 217.

ВВЕДЕНИЕ.

1 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕНН ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ И ТЕЛЕВЕЩАНИЯ, РАЗМЕЩАЕМЫХ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УКРЫТИЯХ, С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ.

I 1.1 Классификация антенн с точки зрения специфики« проблем,

1 обусловленных температурной нестабильностью.

1.2 Выбор и обоснование метода электродинамического анализа излучающей структуры антенны. Разработка электродинамической модели антенны в диэлектрическом укрытии.

1.3 Разработка метода термокомпенсации за счет противоположного действия геометрических и электрофизических изменений.

1.4 Разработка методики проектирования.

1.5 Выводы по разделу.

2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАСТРОЙКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН, ВРЕМЕННО РАЗМЕЩАЕМЫХ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА В ЧАСТИЧНО ПРОВОДЯЩИХ УКРЫТИЯХ. 2.1 Анализ проблем, возникающих при промежуточных измерениях и настройках в процессе производства антенн.

2.2 Обоснование возможности и целесообразности* проведения тестовых измерений и настроек по методу сравнения.

2.3 Разработка методики измерений в условиях частично прово

4 дящего укрытия.

2.4 Разработка технологии контрольных проверок и настройки антенн в условиях частично проводящего укрытия.

2.5 Выводы по разделу.

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ АНТЕНН ДИАПАЗОНА ВЧ, РАЗМЕЩАЕМЫХ В НЕРАЗБОРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УКРЫТИЯХ.

3.1 Классификация подземных антенн. Анализ основных проблем, возникающих при их эксплуатации.

3.2 Разработка методики проверки коэффициента усиления антенны.

3.3 Разработка методики проверки согласования антенны.

3.4 Разработка методик оценивания целостности излучающей структуры и периодического контроля общей работоспособности антенны.

3.5 Разработка технологии эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях.

3.6 Выводы по разделу.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ME- 5 ТОДИК И ТЕХНОЛОГИЙ.

4.1 Разработка размещаемой в диэлектрическом укрытии малогабаритной низкопрофильной антенны абонентского терминала подвижной радиосвязи диапазона ОВЧ.

4.2 Разработка размещаемого в диэлектрическом укрытии низкопрофильного панельного излучателя на IV-V телевизионные диапазоны.

4.3 Реализация технологии настройки в рамках общей технологии производства логопериодических и турникетных излучателей для антенной решетки радиолокационной станции диапазона ОВЧ.

4.4 Экспертиза подземных антенн в неразборных укрытиях на ряде действующих радиоцентров диапазона ВЧ.

4.5 Выводы по разделу.

Современный этапфазвития в области техники и технологий антенн и ан-тенно-фидерных устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения, как,, впрочем, и для> большинства областей техники телекоммуникаций; характеризуется тенденцией к снижению роли экстенсивных факторов развития и удовлетворению возрастающих требований к техническим и технико-экономическим характеристикам изделийь преимущественно на- основе использования' новых; материалов, передовых технологий и других^ инновационных решений.

Не.является исключением и область технологий' создания и эксплуатации антенн ВЧ; ОВЧ и УВЧ диапазонов, размещаемых в укрытиях. Главной особенностью этого1 класса антенн, при всем многообразии* конкретных конструкций и функций укрытия (защита антенны от воздействия.неблагоприятных факторов, снижение аэродинамического сопротивления, маскирование и т.д.) является присутствие в непосредственной близости от излучающей системы достаточно протяженных диэлектрических тел, оказывающих- заметное влияние, на характеристики антенны.,

В свете упомянутых выше тенденций настоятельно необходимо создание технических решений и технологий, обеспечивающих не только максимальный учет влияния укрытия; но и целенаправленное формирование; его? геометрических, электрофизических и иных свойств в целях улучшения характеристик антенны.

Распространенным типом антенн с укрытиями являются? низкопрофильные. антенны: абонентских станций; подвижной радиосвязи (включая специальную), размещаемые наподвижных объектах. Жесткие требования к параметрам назначения таких антенн и одновременно — к массогабаритным характеристикам, аэродинамическому сопротивлению, стойкости, дизайну,.а нередко и к оптической заметности обусловливают использование в составе таких антенн компактных узкополосных излучателей высокой добротности. При этом резко возрастает чувствительность характеристик назначения к параметрам укрытия и, что не менее важно; к температурным изменениям этих параметров, вплоть до ситуации, исключающей реализацию приемлемых значений температурного коэффициента частоты настройки излучателя. Необходимы методики проектирования, обеспечивающие учет влияния указанных факторов, на характеристики антенны и температурную стабильность этих характеристик, а также создание конструкций, в которых изначально-предусмотрена эффективная; компенсация* влияния укрытия.

Аналогичные, по сути, проблемы возникают и при создании современных широкополосных панельных излучателей для передающих антенных систем телевизионного вещания (включая.цифровое) в IV-V телевизионных диапазонах. И в этом случае, несмотря на.относительно низкую добротность широкополосного излучателя, повышенная температурная нестабильность-параметров укрытия приводит к трудностям-реализации заданных характеристик назначения антенны, по крайней мере, на границах рабочей полосы частот.

В. рамках рассматриваемой проблематики следует также отметить большой-класс задач, где укрытие, не входя в состав собственно-антенны, тем не менее, оказывается существенной неотъемлемой частью излучающей системы в рамках технологии производства антенн. Подобная ситуация возникает при необходимости обеспечения проверки и настройки антенны в ходе ее изготовления в,условиях производственного помещения. Проведение измерений с периодическим перемещением антенны на открытый полигон или в безэховую камеру (если подобная'камера на рабочий диапазон антенны, вообще реализуема) представляет собой' весьма затратный и крайне нетехнологичный вариант решения- проблемы, особенно для крупногабаритных антенн. Здесь необходима технология, обеспечивающая адекватность результатов проверки и настройки в присутствии укрытия, причем в данном случае укрытие (помещение) представляет собой, вообще говоря, систему диэлектрических тел с проводящими фрагментами (арматура, оборудование и т.д.).

Наконец, важным, хотя и не столь распространенным типом антенн, размещаемых в укрытиях, являются подземные (защищенные) антенны высокой стойкости ВЧ диапазона. В этом случае, помимо необходимости учета параметров укрытия при создании антенны, возникают существенные проблемы« обеспечения ее работоспособности (боеготовности)* на протяжении-всего жизненного цикла. Дело в том, что излучающая* система* такой антенны, физически недоступна (монолитное неразборное" укрытие);, а применение типовых методов' проверки электрических характеристик (с подачей на вход антенны каких-либо испытательных сигналов) не допускается предъявленными к антенне специальными, требованиями: В данном случае настоятельно необходимы новью технологии эксплуатации; обеспечивающие контроль состояния антенны с учетом указанных выше ограничений.

Таким образом,- в настоящее1 время существует актуальная^ научно-техническая! проблема совершенствования методик И'технологий проектирования, настройки 1 и эксплуатации антенн диапазонов ВЧ, ОВЧ и УВЧ/, размещаемых в укрытиях.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Стремительное развитие и миниатюризация средств мобильной связи; радиовещания и телевидения, систем подвижной радиосвязи (СПР) различного назначения в последние годы привели к ужесточению требований к габаритам антенн абонентских терминалов» и их полосам пропускания.

Абонентские радиостанции; установленные на подвижных объектах, должны обеспечивать связь с наземными корреспондентами, поэтому наиболее интенсивное излучение и прием должны' обеспечиваться под малыми углами к горизонту. Данное обстоятельство, с учетом рабочих диапазонов частот СПР, обусловливает применение в качестве антенн различных вариантов вибраторных излучающих структур.

Во многих случаях для подвижного объекта существуют ограничения' по габаритной высоте, что в свою очередь накладывает ограничения на линейные размеры антенн подвижных объектов при сохранении достаточно широкой полосы рабочих частот. В этом случае достаточно перспективными для реализации абонентских антенн СПР могли бы быть-низкопрофильные структуры [53, 69], например, такие, как низкопрофильная антенна на основе петлевого вибратора, предназначенного для^ размещения на объекте, не допускающем изменения архитектурного облика/ но* в силу относительно больших вертикальных размеров, не приспособленного для установки на подвижных объектах [59, 60].

В связи с большой- потребностью в низкопрофильных антеннах данное направление теорииг и техники антенн интенсивно развивается. Так, к настоящему времени опубликовано^несколько сотен патентован патентных заявок на низкопрофильные антенны, среди которых можно отметить патенты A.JI. Бузо-ва,.Л.О. Казанского, X. Тамаоки (Н. Tamaoka) и др. [41-, 42, 54 - 56, 71, 75, 76, 81]. Наряду с патентами на изобретения« втнастоящее активно изучаются новые свойства и возможности использования таких антенн. Исследуются- влияние экрана, расположенного вблизи1 малогабаритной антенны [72], возможности уменьшения размеров антенн за счет использования подложки с высоким реактивным импедансом [73, 74, 79], вопросы расчета добротности и ее влияния на характеристики антенн [80]. Разрабатываются новые микрополосковые и низкопрофильные антенны [49, 66, 77, 78, 82].

Наиболее популярными по количеству публикаций' и использования- на практике являются низкопрофильные всенаправленные излучатели семейства планарных инверсных L- и F-образных антенн. Среди таких работ можно * отметить работы A.C. Мальцева, М.А. Петрова, В.И. Слюсара и др. Свое начало они берут от простейшего L-образного вибратора, расположенного в перевернутом виде (отсюда термин "инверсный") над плоским экраном. Такой согнутый монополь является следствием естественного стремления упрятать антенный излучатель внутрь, размещая его вдоль длинной стороны корпуса. Для расширения рабочего диапазона частот иногда используют гибридную конструкцию, состоящую из двух параллельно расположенных над металлическим экраном Ьи Б-образных вибраторных антенн.

В настоящее время имеется более сотни патентов, посвященных улучшениям конструкции таких антенн, из которых свыше 90% приходится на последние 5- лет. Столь неравномерное распределение патентов по годам регистрации* говорит об ажиотаже в развитии^ данного типа антенн и их большой'востребованности в современной -технике связи. Дело в том, что такие антенны, сочетают в себе целый ряд преимуществ, в числе которых более широкая полоса рабочих частот (до 10% от резонансной несущей), сравнительно'малые габаритные размеры и многодиапазонность.

Однако такой величины полосы, пропускания явно недостаточно для практических нужд СПР метрового диапазона, учитывая разнос частот передающего и приемного каналов для» некоторых СПР1 составляет 15%, тем более, что в этом диапазоне частот геометрические размеры (длина и ширина) оказываются весьма существенными. Поэтому автором в настоящей работе была предложена модернизированная низкопрофильная» антенна с уменьшенным продольным размером.

Другой класс низкопрофильных антенн представляет собой*направленные антенны базовых станций« различных системг связи, телевизионного вещания и радиовещания. Применение низкопрофильных антенн этих целей позволит заметно улучшить массогабаритные показатели, что позволит повысить стойкость АФУ к ветровым и гололедным нагрузкам. По этой же причине повышается скрытность изделия, что может представлять интерес, например, при размещении антенн на зданиях, искажение архитектурного облика которых нежелательно. В этой' части автором также был предложен низкопрофильный излучатель для телевизионного вещания в диапазоне 470.790 МГц.

Острая» настройка низкопрофильных малогабаритных антенн требует более тщательного расчета их характеристик, влияющих на согласование антенн. Это ужесточает требования к расчетным методам анализа как антенн в целом, так и влияния диэлектрического колпака и особенно его температурной1 нестабильности.

Среди всего многообразия методов решения подобных задач следует выделить предложенный Л.С. Казанским метод обобщенной эквивалентной цепи (ОЭЦ) [5, 6, 14, 45, 23»— 26, 28, 29, 43, 44]. Метод ОЭЦ<обеспечивает достаточную эффективность при анализе электрически толстых проводников и достаточно универсален в смысле формы поперечного сечения. Метод, имея точность, соответствующую »методам решения интегральных уравнений, позволяет получить явную зависимость между физическими параметрами иг величинами элементов эквивалентной цепи.

Кроме того, метод ОЭЦ позволяет на единой методологической основе и в рамках единой модели обеспечить анализ электродинамических систем, содержащих как металлические, так и диэлектрические элементы [4, 5, 45], в том числе - анализ, температурной стабильности характеристик системы и- учет влияния* технологических допусков на основе использования аппарата теории* параметрической чувствительности [27, 43, 46].

Так как в данной работе предполагается исследование сложных тел, в частности, антенн, располагаемых в защитных диэлектрических укрытиях, то» применение метода ОЭЦ здесь особенно удобно.

В то же время, разработанные до настоящего времени на этой основе методики проектирования антенн и антенно-фидерных. устройств, оптимизированных по параметрической-чувствительности (включая температурную чувствительность) [46 - 48], ориентированы исключительно на выбор оптимальных геометрических, электрофизических и теплофизических параметров проводников. Параметры диэлектрических элементов-при этом не варьируются, а нередко и не учитываются.

В целом, обзор отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал, что методики проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности на основе современных точных численных электродинамических методов до настоящего времени не создано.

Вопросы измерения, настройки, доводки антенн всегда являются интересными и актуальными и теоретическом, и в практическом плане. Эти вопросам посвящено большое количество работ [9, 10, 12, 21, 22, 38, 61, 65, 67]. Измерения характеристик антенн должны» проводиться' в свободном пространстве^ при отсутствии посторонних предметов. Вг данном же случае речь идет о промежуточных измерения и настройках, являющихся этапом технологического цикла производства, так что такие штатные условия измерений обеспечить невозможно. Перемещение же антенн на полигоны или в безэховые камеры и обратно зачастую слишком неудобно и трудоемко. Даже в.случае малогабаритных антенн это по понятным причинам заметно удорожает производство (транспортировка, потери времени и т.д.). Еще в большей мере данная проблема актуализируется при производстве крупногабаритных антенн. При этих условиях оказывается весьма целесообразной организация промежуточных измерений и. настроек непосредственно в производственных помещениях. Проблема же заключается в том, что, как уже отмечалось, данные помещения обычно не обеспечивают нормальных условий излучения, и сопоставление-результатов измерений с заданными требованиями оказывается некорректным. Для этих случаев автором была разработана технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях.

Hcor^oBaH^Mv подземных антенн также посвящено большое количество работ [8, 11, 13, 16, 30, 34, 35]. Их исследованиям посвящено большое количество работ, среди которых следует отметить как классические труды Г.А. Лаврова, A.C. Князева, Р. Кинга (R.W.P. King), так и современные Ю:И. Кольчуги-на, В.В. Юдина и др. При этом основное внимание в них уделяется моделированию таких антенн с учетом диэлектрических укрытий, определению их основных характеристик [13, 15, 16, 35, 63, 64]. Также рассматриваются вопросы обеспечения прочности таких антенн к воздействию внешних разрушающих факторов, а также способы повышения эффективности защищенных антенн. Вопросам же эксплуатации таких антенн, проверки их работоспособности на сегодняшний день, уделяется недостаточно внимания. Для восполнения этого пробела автором был разработан ряд методик* оценивания целостности излучающей структуры и периодического контроля общей работоспособности подземных антенн, а также определения основных характеристик антенн в пассивном режиме. • '

Цель работы - совершенствование методик проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания ОВЧ-УВЧ диапазонов- в части учета .температурной нестабильности диэлектрических укрытий, совершенствование технологий производства крупногабаритных антенн, предполагающих промежуточные измерения и настройки в процессе изготовления, создание технологий эксплуатации защищенных подземных антенн спецсвязи диапазона ВЧ, обеспечивающих повышение боеготовности систем связи.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе выполнена следующая программа исследований:

- разработка электродинамической модели антенн подвижной радиосвязи и телевещания в диэлектрических укрытиях;

- расчетные и экспериментальные исследования с целью обоснования возможности, и целесообразности реализации, термокомпенсации за счет противоположного действия геометрических и электрофизических изменений;

- разработка методики проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических' укрытиях, позволяющей уже на ранних стадиях разработки исследовать эффекты, обусловленные температурной нестабильностью, и моделировать процессы термокомпенсации;

- разработка технологии настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях;

- разработка методики проверки коэффициента усиления недоступных подземных антенн;

- разработка методики проверки, согласования недоступных подземных антенн;

- разработка, методик- оценивания целостности излучающих структур и периодического контроля общей работоспособности недоступных подземных антенн;

- разработка технологии эксплуатации недоступных подземных антенн диапазона ВЧ;

- практическая реализация разработанных методик и технологий.

Диссертационная, работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников и приложения.

Основные результаты диссертационного' исследования» опубликованы» в научных труда автора [83 - 100].

Таким образом-, в рамках настоящего диссертационного1 исследования решена проблема совершенствования методик и технологий проектирования; настройки и эксплуатации^ антенн« диапазонов*ВЧ^ ОВЧ и УВЧ, размещаемых в укрытиях. Разработаны методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности; технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в »процессе производства в частично проводящих укрытиях; технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях. Проведена практическая реализация всех разработанных методик и технологий. Задачи диссертационного исследования успешно решены, поставленная цель достигнута в полном объеме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в рамках диссертационной работы получены следующие научные и научно-прикладные результаты.

Проведена классификация антенн с точки зрения специфики проблем, обусловленных температурной нестабильностью. Обоснован выбор метода обобщенных эквивалентных цепей в качестве метода электродинамического анализа излучающей' структуры» антенны. Разработана электродинамическая модель антенны в диэлектрическом укрытии. Показано, что при малых зазорах между укрытием'и проводником шлейфа5 (в> ^-образной антенне), диэлектрический лист укрытия г необходимо моделировать, как минимум, двухслойной сеткой, несмотря-на* малую толщину листа. На основе электродинамических.расчетов, обоснована достаточность двух слоев.

Разработан метод термокомпенсации за счет противоположного'действия^ геометрических и электрофизических изменений. Проведены исследования, в рамках которых выполнялось электродинамическое моделирование антенн с укрытиями из различные материалов^ в температурном диапазоне. В ходе исследований установлено, что использование только укрытия не позволяет в большинстве случае решить проблему термостабильности. В связи с этим предложено использовать специальный термокомпенсирующий вкладыш из фенопласта, а укрытие изготавливать из полипропилена. Проведены исследования, подтвердившие эффективность предложенного метода термокомпенсации.

На основе проведенных исследований разработана методика проектирования антенн подвижной радиосвязи и телевещания, размещаемых в» диэлектрических укрытиях, с учетом температурной нестабильности.

Проведен анализ проблем, возникающих при промежуточных измерениях и настройках в процессе производства крупногабаритных антенн. Обоснована целесообразность выполнения этих операций в условиях производственных помещений: Показано, что» такой подход обеспечивает значительное сокращение совокупных издержек на реализацию технологических циклов производства антенн.

Обоснованы возможность и целесообразность проведения тестовых измерений и настроек по методу сравнения, когда один образец антенны (эталонный) исследуется и настраивается в условиях антенного полигона или безэхо-вой камеры, а остальные образцы сравниваются с ним уже в условиях производственных помещений. в- качестве контролируемых параметров обосновано использование входных параметров (входной* импеданс; коэффициент отражения; кбв; кевн).

Разработана методика измерений- в условиях частично проводящего укрытия. На основе электродинамического моделирования показано, что тепловые- потери, в « местных рассеивателях (в условиях производственных помещений) практически не влияют на соотношение между допусками.

Разработана технология'контрольных проверок и,настройки антенн5в условиях частично проводящего укрытия. Определен порядок- выполнения операций: проверка эталонного образца, его настройка (в условиях антенного полигона), калибровка испытательного стенда (в условиях производственного помещения); проверки-и настройки (при необходимости) других образцовое условиях производственного помещения. Разработан антенный полигон для проверки направленных антенн метрового диапазона. Показано, что с целью минимизации вероятности ложных отбраковок, согласование,эталонного образца в условиях антенного полигона должно быть близко к идеальному.

Дана классификация подземных антенн. Выполнен- анализ основных проблем, возникающих при их эксплуатации. В качестве наиболее проблемного при эксплуатации выделен* класс подземных защищенных антенн постоянной готовности, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях.

Разработана методика.проверки коэффициента усиления-антенны. Методика основана на измерениях поля от сигнала некоторой радиостанции и уровня сигнала этой же станции на входе испытуемой антенны.

Разработана методика проверки согласования антенны. Она основана на применение вспомогательного согласующего устройства, настройкой которого максимизируется уровень сигнала в режиме приема на испытуемую антенну.

Разработаны методики оценивания целостности излучающей структуры и периодического контроля общей работоспособности антенны. Методика оценивания целостности излучающей структуры основана на экспериментальном определении картины поля над испытуемой антенной. Методика периодического контроля общей работоспособности основана на периодическом наблюдении уровней принимаемых сигналов. Методика разработана в двух вариантах — с использованием вспомогательной передающей станции и с использованием вспомогательной' приемной антенны.

На основе данных методик разработана технология эксплуатации подземных антенн* диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях. Определены состав и порядок выполнения различных технологических операций в процессе эксплуатации. Дан ряд рекомендаций по реализации разработанных методик.

Предложенная автором методика проектирования размещаемых в диэлектрических укрытиях антенн с учетом температурной нестабильности реализована при создании малогабаритной низкопрофильной антенны абонентского терминала подвижной радиосвязи диапазона ОВЧ (антенна МАН) и низкопрофильного панельного излучателя на IV-V телевизионные диапазоны. В обоих случаях задача обеспечения термостабильности успешно решена применением специальных термокомпенсирующих вкладышей.

Разработанная автором технология настройки крупногабаритных антенн, временно размещаемых в процессе производства в частично проводящих укрытиях, реализована в рамках общей технологии производства логопериодических и турникетных излучателей для антенных решеток радиолокационных станций диапазона ОВЧ. Благодаря тому, что из каждого типа антенн только один образец (эталонный) исследовался и настраивался в условиях полигона, существенным образом сокращены трудоемкость и прочие статьи затрат на реализацию технологии изготовления антенн.

Разработанная автором технология эксплуатации подземных антенн диапазона ВЧ, размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях, реализована в рамках экспертизы, антенн данного класса на ряде действующих радиоцентров диапазона ВЧ. При этом оценивалась целостность, излучающих структур антенн, и проверялось их согласование. По всем, объектам (радиоцентрам) дано> отрицательное заключение, в связи с чем было принято решение о замене существующих на тот момент антенн на новое поколение современных антенн разработки Филиала ФГУП НИИР - СОНИИР! При вводе в эксплуатацию новых антенн также была проведена их экспертиза, в рамках которой по < предложенной автором методике проверялся уровень согласования.

Результаты практической реализации разработанных методик и технологий убедительно подтвердили основные положения и выводы диссертационной работы.

Внедрение результатов диссертационных исследований осуществлено^ при проведении работ в интересах Спецсвязи ФСО России и ЗАО Научно-исследовательский, центр «Резонанс». Внедрение результатов работы недостигнутый эффект подтверждены соответствующими-актами, приведенными в Приложении. '

1. Айзенберг F.3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ / Под ред. Г.З; Айзенберга. В 2-х ч. 4.2 М.: Связь, 1977. - 288 с.

2. Антенно-фидерные устройства:: технологическое оборудование т.экологическая безопасность / Бузов А.Л., Казанский Л.С., Романов В.А. и др.; Под ред. А.Л. Бузова. М.: Радио и связь, 1998. - 221 с.

3. Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, ра-диовещания^и.телевидения'., М::. Радиожсвязь,.1-997.- 293?с.

4. Бузов A.Jïi, Бузова М.А., Васин A.B., Гончарук 0;Б:, Кольчугин: Ю.И;,. Трофимов* А.Ш, Юдин В.В; Разработка и реализация защищенных АФУ постоянной готовности диапазона ВЧ// Вестник СОНИИРУ- 2006: № 4 (14). - С. 50 -55.-'' . . ' ' ' ' ' '

5. Бузов; А.Л., Кольчугин ЮЛЯ;, Никифоров А.Н., Романов В.А. Об особенности' аттестации «безэховых» камер // Метрология и измерительная техникам связи: 19981 - №3.-С. 26.

6. Бузов А.Л., Кольчугин Ю.И., Носов H.A., Павлов A.B. Измерение параметров антенн в «безэховой» камере // Метрология и измерительная техника в связи. 1998. - № 4. - С. 12 - 13.

7. Бузова М.А., Гончарук О.Б., Скоробогатов Е.Г. Вопросы управления в плавно-перестраиваемых согласующих устройствах ДКМВ диапазона // Вестник СОНИИР. 2007. - № 4 (18). - С. 40 - 46.

8. Бузова М«.А., Гончарук О.Б., Скоробогатов Е.Г. Экспериментальные исследования* явления дифракции на плоских электрически протяженных экранах круглой и прямоугольной/формы // Вестник СОНИИР: 2009. - № 3 (25). -С. 54 -60.

9. Бухов С.И: Обходной возможности повышения быстродействия метода обобщенных эквивалентных цепей // Вестник СОНИИР. 2003. - № 2.

10. Васильев E.H., Охматовский В'.И. Излучение щелевой антенны из-под полубесконечного слоя диэлектрика // Антенны. 1997. - № 1. - С. 57 - 60.

11. Васин A.B. Сеточная электродинамическая модель диэлектрического тела вблизи проволочной антенны // Вестник СОНИИР1 — 2006. — № 1 (11). — С. 42-45.

12. Вай Кайчэнь. Теория и проектирование широкополосных согласующих цепей. М.: Связь, 1978. - 288 с.

13. Вычислительные методы в.электродинамике: Под ред. Р. Митры. Пер с англ. / Под ред.ЭЛ.'.Бурштейна. М:: Мир, 1977. - 487 с.

14. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1972. — 336с. .

15. Казанский Л.С. Способ расчета прямых, антенн с номощыо обобщенной эквивалентной цепи: провод переменного радиуса // Радиотехника и электроника. 1998! ЛЬ 2. - С. 175 - 179:

16. Казанский Л.С. Способ расчета проволочных антенн произвольной конфигурации« с помощью обобщенной^ эквивалентной цепи // Радиотехника« ш электроника. 1999. - №.6. - С.705— 709. . ; .

17. Казанский Л:С. Расчет поля системы тонких проводников в зоне Френеля // Антенны. 2002. - № 1 (56). - С.29-31. : . ■>

18. Казанскийч Л:С., Минкин? М!А: .'©> модификации* метода», обобщенной? эквивалентной цепи // Вестник СОНИИР: 2004. - № 2. - С. 54 - 57.

19. Казанский Л;С.,. Минкин М.А. Некоторые вопросы анализа параметрической чувствительности антенно-фидерных устройств на основе модифицированного метода, обобщенной эквивалентной цепи // Вестник СОНИИР. — 2007. № 1 (15). - С. 57-61.

20. Казанский Л.С., Минкин М.А., Юдин В.В. Расчет симметричных излучающих систем: методом обобщенной эквивалентной цепи // Радиотехника (журнал в журнале). 2005. - № Г. - С. 73 - 75.

21. Казанский Л.С., Романов В.А. Антенно-фидерные устройства дека-метрового диапазона и электромагнитная экология. -М.: Радио и связь, 1996. — 270 с.

22. Казанский JI.C., Трофимов А.П. Определение длин недоступных антенных фидеров на- основе спектрального анализа входных характеристик // Радиотехника. 2008.-№3.-С. 80 - 84.

23. Калинин А.И., Черенкова ЕЛ. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М.: Связь, 1971. - 440.с.

24. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х кн. Кн. 2. llep. с англ. -М.: Мир, 1984. 824 е.

25. Кольчугин Ю.И., Трофимов А.П; Электродинамическое моделирование защищенных, подземных антенн при определении их характеристик направленности// Вестник СОНИИР. -2008. -№2(20). С. 68-71.

26. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.Г1. Белоусов, 3.1V1. Журбенко юдр.; Под ред. Г.З. Айзенберга. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. — 536 с.

27. Лавров Г.А., Князев A.C. Приземные и подземные антенны. М;: Советское радио, 1965. - 472 с.

28. Лондон С.Е., Томашевич C.B. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. М.: Радио и связь, 1984. — 216 с.

29. Лукьянчиков Андрей Владимирович. Малогабаритные антенны с управляемой поляризацией излучения для подвижных объектов радиосвязи: Дис. канд. тех. наук: 05.12.07 / Севастопольский национальный технический; ун-т. Севастополь, 2005. - 265 с.

30. Мальцев А'.С. Исследование и разработка малогабаритных низкопрофильных излучателей для. приемо-передающей аппаратуры УКВ'! диапазона: Дис. канд. тех. наук: 05.12.04. Воронеж, 2008. - 174 с.

31. Минкин М;А'. Электродинамическая теория параметрической чувствительности антенно-фидерных- устройств. — М.: Радио и,связь, 2001. — 111 с.

32. Минкин* М.А. Анализ' параметрической , чувствительности- излучающих структур на-основе метода обобщенной эквивалентной цепи1// Радиотех-ника5(журнал в журнале): 2001. - № 11. - С. 86-- 89.'

33. Минкин М.А. Учет диэлектрических элементов конструкции при анализе антенно-фидерных устройств методом обобщенной эквивалентной цепи // Электродинамика и техника*СВЧ, КВЧ1 и оптических частот. 2001. — № 3 (31). -С. 18-24.

34. Минкин М.А: Проектирование антенно-фидерных устройств, оптимизированных по параметрической чувствительности и* допускам // Радиотехника (журнал в.журнале). 2001'. - №Т 1. - С. 82 - 85.

35. Минкин М.А. Оптимизация*параметрической чувствительности и технологических допусков при разработке антенно-фидерных устройств на основе коаксиальных резонаторов // Антенны. — 2002. № 1 (56). — С. 13'— 17.

36. Минкин М.А., Носов Н:А. Излучатели- антенн телерадиовещания и-подвижной радиосвязи, оптимизированные по технологическим допускам // Вестник СОНИИР. 2002. -№ 2. - С. 51 - 55.

37. Младенов ПЛ., Просвирнин С.Л. Микрополосковая двухпериодиче-ская решетка из непрерывных криволинейных металлических лент как высокоимпедансная поверхность // Радиофиз. и радиоастрон. 2003. - Т. 8. - № 4. - С. 375-382.

38. Никольский В.В., Никольская Т.И: Электродинамика и распространение радиоволн. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1989. - 543 с.

39. Носов Н.А. Аналитическое проектирование приемопередающих .антенных системдля малых подвижных объектов с учетом специфики мест установки // Вестник СОНИИР. 2008. - № 3 (21). - С. 75 - 80.

40. Овсянников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. — Mi: Радиода связь, 1985i- 1<19 с:

41. Панченко Б.А., Князев С.'Г. и др. Электродинамический расчёт характеристик излучения полосковых антенн. М!: Радиош связь, 20021. — 256.с.,

42. Патент № 2206944 Россия, МПК7 Н 01 Q 1/24. 20.06.2003, Бюл. №17. Низкопрофильная антенна / Бузов А.Л., Казанский Л.С., Павлов А.В., Юдин В.В. (Россия). - 4 с.: ил.

43. Патент № 687499 СССР, МКИ Н 01Р 5/10. Симметрирующее устройство / Л;С. Казанский (СССР), Л.С. Текучева; А.А. Штрак. 2 е.: ил.

44. Патент № 1646012 А1 СССР, МКИ5 Н 01 Р 5/10. Согласующее устройство / Л.С. Казанский (СССР). 3 е.: ил.

45. Петров М.А. Высокодобротная« низкопрофильная; антенна на основе петлевого вибратора // Вестник СОНИИР. 2006. - № 1. (11).- С. 74-78.

46. Петров М.А. О методике расчета малогабаритных низкопрофильных антенн // Вестник СОНИИР. 2005. - № 3 (9). - С. 59 - 63.

47. Пионтковская А.Ф. и др. Метрология в технике радиосвязи / Под ред. А.Ф. Пионтковской. — М;: Радио шевязь,. 19831 184 с:

48. Полевой В.В., Чавка Г.Г. Расчет широкополосных согласующих, селективных и трансформирующих устройств. Л.: ЛЭТИ, 1977. - 83 с.

49. Пономарев Л.И., Родин C.B. Моделирование характеристик антенны в присутствии диэлектрического укрытия // Радиоэлектрон, устройства и системы.-1996.-С. 99-105.

50. Селин В.И. Изолированная антенна в слоистой среде // Числ. методы в мат. физ. 1996. -№ 171'. - С. 80 - 88.

51. Семенов B.C., Фрумкис Л.С. Шостак A.C. Бесконтактный-способ измерения электродинамических параметров,диэлектрических материалов в диапазоне УКВ. Тез. докл. научн.-техн. конф. по радиотехническим измерениям. Новосибирск. - 1967. - С. 69 - 70.

52. Слюсар В.И! Антенны PIFA для мобильных средств связи: многообразие конструкций // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2007. - № 1. — С. 64-75.

53. Фрадин А.З., Рыжов Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. 2-е изд. доп. - М.: Связь, 1972. - 352 с.

54. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.

55. Чебышев В.В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. -М.: Радиотехника, 2007. 159 с.

56. Электродинамические методы анализа проволочных антенн / А.Л. Вузов, Ю.М. Сподобаев, Д.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Юдина. -М.: Радио и связь, 2000.- 153 с.

57. Breitbandige Antenne mit geringer Bauhohe: Европейская патентная заявка 1 619 751, МПК8 H01Q9/04 / ArnoldE. и др. (Германия). 16 е.: ил. Опубл. 25.01.2006.

58. Hansen R.C. Effects of a high-impedance screen on a dipole antenna // IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett. 2002. - V. 1. - P. 46 - 49.

59. Hossein M., Kamal S. Antenna miniaturization and bandwidth enhancement using a reactive impedance substrate // IEEE Trans. Antennas and Propag. — 2004. V. 52. - № 9. - P. 2403 - 2414.

60. Kamal S., Casciato M. D., Il-Suek K. Efficient calculation of the fields of a dipole radiating above an impedance surface // IEEE Trans. Antennas and Propag. — 2002. -V. 50. -№ 9. P. 1222 - 1235.

61. Low profile compact multi-band meanderline loaded antenna: Патентная заявка США 2006/0001575, МПК8 НО 1Q1/24 / Young-Min Jo, F.M. Caimi (США). -11c.: ил. Опубл. 05.01.2006.

62. Miniature antenna: Патентная заявка ВОИС 2005/101574, МПК7 H01Q9/42 / Tamaoka Н. (Япония). 42 е.: ил. Опубл. 27.10.2005.

63. Paola P., Giuseppe V., Mario О. Full-wave spectral analysis and design of annular patch antenna with electromagnetically coupled microstrip feed line // IEEE Trans, of Ant. and Prop. 2004. - V. 52. - № 9. - P. 2415 - 2423.

64. Riki B.S., Franklinb D.R. Circuit models for constant impedance micro-machined lines on dielectric transitions // IEEE Trans, of Micr. Theory and Techn. — 2004. V. 52. - № 1. - P. 105 - 111.

65. Sievenpiper D;, Schaffner J. Beam steering-microwave reflector based onelectrically tunable impedance surface // Electron. Lett. 2002. - V. 38. - № 21. - P. 1237-1238.

66. Sten J. C.-E., Hujanen A. Notes on the quality factor and bandwidth of radiating systems // Elec. Eng. 2002. - V. 84. - № 4. - P. 189 - 195.

67. Ultra-low profile vehicular antenna methods and systems: Патентная заявка США 2005/0280581, МПК7 H01Q1/38 / G. Рое, N. Haller (США). 8 е.: ил. Опубл. 22.12.2005.

68. Yun Y. Miniaturised, low impedance ratrace fabricated by microstrip line employing PPGM on MMIC // Electron. Lett. 2004. - V. 40. - № 9. - P. 540 - 541.

69. Гутгарц A.B., Колояров И.А., Красильников А.Д., Мирошников В.Н., Павлов A.B. Малогабаритная антенна мобильной связи // Вестник СОНИИР. — 2002. №*2 (2). - С. 24 - 26.

70. Колояров И.А. Проблемы и перспективы в области технологий ремонта и технического обслуживания антенно-фидерного оборудования на действующих радиотехнических объектах // Вестник.СОНИИР. 2008. - № 4 (22). -С. 4-8.

71. Казанский JI.C., Колояров И.А. Электродинамическое моделирование метаматериалов, на основе метода обобщенной эквивалентной цепи // Вестник СОНИИР. 2009. - 1 (23). - С. 54 - 58.

72. Бондарь Е.В., Колояров И.А. Создание высокоэффективных систем очистки воздуха в камерах окраски антенн: проблемы, типовые ошибки и пути решения // Антенны. 2010. - № 4 (155). - С. 65 - 69.

73. Капишев А.Н., Колояров И.А., Красильников А.Д. Варианты построения низкопрофильных антенн метрового и дециметрового диапазонов // Антенны. 2010. - № 4 (155). - С. 21 - 25.

74. Колояров И.А., Красильников А.Д. О фрактальных антеннах в качестве антенн базовых станций подвижной связи // Антенны. — 2010. № 4 (155). — С. 26-30.

75. Колояров И.А. Технология промежуточных измерений и настроек в процессе производства крупногабаритных антенн // Труды НИИР. 2010. - № 2!-С. 26-32.

76. Колояров И:А. Контроль состояния подземных антенн диапазона ВЧ,размещаемых в неразборных диэлектрических укрытиях // Физика и техничеf