автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Разработка методов моделирования и исследование свойств излучателей на основе синхронных спиралей

На правах рукописи

Захарова Светлана Сергеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИНХРОННЫХ СПИРАЛЕЙ .

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стецеяи кандидата технических наук

/

Москва-2010

004605552

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника» Московского государственного института электроники и математики.

Научный руководитель: д. ф.-м.н., профессор Солнцев Виктор Анатольевич

Ведущее предприятие: ГОУ ВГГО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики» (технический университет)

Защита состоится "01" июля 2010 г. в 16:00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу:

109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Официальные оппоненты: д.т.н. Петров Александр Сергеевич к.т.н. Азов Геннадий Анатолиевич

Автореферат разослан '_' мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы

Важной тенденцией в развитии телекоммуникационных и ряда других средств является их перевод на беспроводную, эфирную основу, что обуславливает необходимость дальнейшего развития антенных устройств, определяющих многие предельные показатели радиотехнических систем.

Развитие антенной техники и повышение требований к разработкам привело к актуализации новых проблем проектирования антенн. ¿Многие из них связаны с получением требуемых характеристик, созданием антенн с уникальными свойствами — фазированных антенных решеток, адаптивных и сверхнаправленных антенн, а также широкополосных антенных устройств.

Расширение рабочей полосы антенн является одним из основных средств повышения информационной емкости и пропускной способности радиотехнических систем. Антенны обычно представляют собой сложные устройства, основной частью которых являются излучатели. Одним из наиболее распространенных типов являются антенны на основе спиральных излучателей, широкое применение которых в радиотехнических системах подчеркивает важность развития теоретических основ их проектирования и конструирования, а также поиска новых типов спиральных излучателей и разработки методов проектирования антенн на их основе.

Основное отличие спиральных излучателей друг от друга заключается в их геометрии, числе заходов, шаге витков, которые можно считать их параметрами. Существенное значение имеет закон навивки спирали, который во многом определяет параметры антенны. В качестве параметра можно ввести также коэффициент замедления радиальной волны, широко используемый в диссертации и введенный в теории замедляющих систем как их характеристика.

В России развитию теории и практики использования спиральных антенн посвящены работы Казарина А.Н., Шестопалова В.П., Рунова A.B., Смирнова H.H., Сазонова Д.М., Чебышева В.В. и др. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Сенсипера С., Рамзея В., Йена Ю., Турнера Е., Риблета X., Жонеса Г.

В работах этих авторов были заложены и развиты теоретические основы функционирования антенн со спиральными излучателями, выявлены и проанализированы их основные свойства и режимы работы, получены основные

расчетные соотношения, а также показаны достоинства и недостатки практического использования спиральных антенн, основным качеством которых является пгирокополосность и высокая частотная стабильность характеристик.

Проведенный анализ современного состояния развития теории спиральных антенн показал, что в данной области имеются вопросы, требующие дополнительной проработки и развития. К новым, малоисследованным типам антенн относятся плоские антенны, построенные на основе спиральных излучателей, отличающихся по конфигурации от наиболее известных — логарифмической и арифметической спиралей.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов моделирования и проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, а также исследованию их свойств. Синхронная спираль как излучатель для построения антенн и составная часть замедляющих систем была предложена в 1994 г. Солнцевым В. А. Исследование е£ характеристик, а также разработка метода проектирования, конструкции и получение расчетных соотношений является задачей, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение. . Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является разработка методов моделирования и исследование свойств синхронных спиральных излучателей, разработка метода расчета их характеристик, включая расчет диаграмм направленности для излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, а также алгоритма проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.

1. Проведен анализ использования антенн в современных радиотехнических системах и существующих типов спиральных антенн, их свойств и режимов работы, а также качественный анализ синхронной спирали как объекта исследования.

2. На основе положений теории замедляющих систем проведен анализ дисперсионных свойств, что дало возможность обосновать с физической точки зрения основные режимы работы синхронного спирального излучателя.

3. На базе теории электродинамических потенциалов предложен метод моделирования и расчета диаграмм направленности излучения и основных характеристик для однозаходных синхронных спиральных излучателей. Выполнена проверка полученных соотношений путем сопоставления

результатов расчета по предложенным формулам и компьютерного моделирования характеристик излучения синхронного спирального излучателя в программе ММапа.

4. Выполнен о сопоставление диаграмм направленности арифметической, логарифмической и синхронной спиральных антенн для разных частот с целью установления их качественных и количественных различий и определения области применения излучателей нового типа.

5. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиралей, предполагающий использование методов, предложенных в диссертационной работе.

6. Разработан метод уточненного расчета диаграмм направленности для плоских излучателей, имеющих фазовый центр и расположенных над плоским отражающим экраном. Он необходим для проектирования антенн, в которых излучатель расположен на подложке над металлическим экраном.

7. Разработана методика расчета волнового сопротивления синхронной спирали, выполненной на слое диэлектрика над металлическим экраном, необходимая при использовании таких антенн в качестве излучающих элементов фазированных решеток.

Методы исследования

В процессе решения поставленных задач использовались методы технической электродинамики, математического анализа, векторной алгебры, методы и программы численного моделирования излучателей, методы теории проектирования и конструирования антенной техники.

Научная новизна и практическая ценность работы В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Получены соотношения для расчета диаграмм направленности излучателей на основе синхронных спиралей, позволяющие оценивать их характеристики направленности для разных частот и параметров в процессе проектирования.

2. На основе анализа дисперсионных свойств излучателей в форме синхронных спиралей получено физическое обоснование режимов функционирования синхронных спиральных излучателей. Это позволило установить возможность ях функционирования в режимах с нормальной положительной и аномальной отрицательной дисперсиями, т.е. с прямыми и обратными волнами.

3. Разработан метод моделирования и расчета характеристик излучателей на основе синхронных спиралей, позволяющий оценивать их основные параметры на стадии, проектирования. Достоверность полученных соотношений проверена путем сопоставления расчетных результатов и результатов численного моделирования.

4. Разработан уточненный метод расчета диаграмм направленности для излучателей, расположенных на диэлектрике над металлическим экраном и имеющих фазовый центр. Метод основан на приближении геометрической оптики и позволяет учесть явление преломления электромагнитных волн на границе раздела диэлектрика и свободного пространства.

5. Разработана методика расчета волнового сопротивления антенны на основе синхронной спирали как линии передачи, расположенной на диэлектрике над металлическим экраном, необходимая при её использовании в качестве согласованного элемента фазированной антенной решетки с улучшенными характеристиками.

6. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных . спиралей, дающий возможность проектировать антенны нового типа и

базирующийся на предложенных в диссертационной работе методах. Положения, представляемые на защиту

1. В синхронной спирали, обладающей конечным радиусом, на резонансной частоте существует обратная волна, излучение которой существенно влияет на диаграмму направленности излучателя и позволяет регулировать её форму при выборе спиралей с разным числом витков.

2. Метод моделирования нового класса спиральных излучателей, позволяющий получить основные характеристики излучателей в свободном пространстве, сочетающий аналитический метод векторных потенциалов с численным моделированием на ЭВМ.

3. Метод расчета диаграмм направленности для плоских излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, позволяющий учесть отражение волн от границы раздела диэлектрика и свободного пространства и изменение направления распространения электромагнитных волн иа основе закона Снеллиуса.

4. В интервале частот ниже резонансной, соответствующем не менее чем одной декаде, диаграмма направленности излучателей на основе двухзаходных синхронных спиралей обладает высокой стабильностью и имеегг

воронкообразную форму с малым раскрывом воронки, что позволяет

использовать её для решения рада радиотехнических задач.

Внедрение результатов работы

Основные результаты диссертационной работы внедрены в разработку антенных устройств на Федеральном государственном унитарном предприятии Ордена Трудового Красного знамени Научно-исследовательском институте радио, в учебный процесс МИЭМ на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и на кафедре «Радиоэлектроника».

Апробация результатов работы и публикации

Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались:

— на LXI научной сессии НТО РЭС им. A.C. Попова, посвященной дню радио, в 2006 г.;

— на LXIII научной сессии НТО РЭС им. A.C. Попова, посвященной дню радио, в 2008 г.;

— на ежегодных Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ с 2005 по 2010 г. включительно (в 2005 г. по результатам выступления присужден диплом II степени);

— на семинаре «Проблемы электроники» № 181 в 2009 г.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т.ч. 10 статей (из них 1 статья в журнале, включенном в список ВАК) и 2 публикации в качестве материалов конференций, а также 6 тезисов докладов конференций МИЭМ.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 87 наименований, и приложения. Общий объем работы - 162 с. В приложение к диссертационной работе вынесены результаты моделирования арифметической, логарифмической и синхронной спиральной антенн для разных частот. Объем приложения — 21с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, определена направленность ее результатов и рассмотрено логическое построение работы по главам.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ состояния и перспектив развития антенных устройств, отмечаются перспективные классы антенн и их достоинства. Указывается место антенн на основе спиральных излучателей

среди других их классов, анализируются режимы их работы. Рассматриваются основные методы расчета и компьютерного моделирования плоских спиральных антенн. Проводится описание и качественный анализ геометрии и свойств синхронных спиральных излучателей. Выводится уравнение синхронных спиралей, вводится их классификация. На основе проведенного анализа выявляются направления, требующие дальнейшей проработки, формулируются задачи выполнения диссертационной работы.

В настоящее время к проектируемым антенным устройствам предъявляется большое количество требований, к которым относят форму диаграммы направленности (ДН), поляризационные характеристики, полосу рабочих частот и т.д. Современные радиотехнические системы характеризуются большими объемами передаваемой через эфир информации, и их увеличение всегда требует расширения полосы рабочих частот антенных устройств. Широкополосность антенн придает им универсальность, обеспечивает возможность их использования для различных целей. Примером класса широкополосных антенн являются логопериодические структуры. Их применяют обычно в тех радиосистемах, где требуется без дополнительной перестройки обеспечить передачу или прием радиоволн в полосе частот, превышающих одну октаву.

Спиральные антенны являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами с эллиптической поляризацией. Они обеспечивают коэффициент перекрытия по частоте от 1,5 до 10. В зависимости от соотношения длины витков спирали / и длины волны X спиральные антенны могут работать в разных режимах — ненаправленного (/ < 0,65?..), осевого (0,75 X < I < 1,3>.) и многолучевого (I > 1,5Х) излучения.

С учетом требований по микроминиатюризации электронных устройств особое значение приобретают плоские спиральные антенны. К наиболее известным и широко используемым их типам относятся логарифмическая и арифметическая спирали. Часто используют двухзаходные спиральные антенны в режиме синфазного либо противофазного возбуждения. Плоские спиральные антенны могут обладать более чем десятикратным перекрытием по рабочему диапазону волн, обычно характеризуются простотой конструкции и изготовления, стабильностью характеристик в полосе рабочих частот. Эти их достоинства приводят к необходимости поиска новых конфигураций спиральных излучателей.

В диссертации рассматриваются излучатели на основе синхронных спиралей (Солнцев В.А. Плоские спиральные системы с постоянной радиальной фазовой

скоростью волн. — Радиотехника и электроника, т.39, №4, 1994. — с 552-559), включающие как частный случай логарифмические излучатели.

Геометрия синхронной спирали описывается дифференциальным уравнением, которое выводится на основе физических представлений о свойствах существующих в ней волн. Время движения выбранной фазы волны вдоль одного витка спирали полагается равным или отличным на целое число периодов колебаний То времени движения радиальной волны между соседними витками спирали. Это условие может быть записано в виде

к9+2я)-г(ф) _ "Г 7г3(ф) + (г'(ф))2

I --тгг-Ар+лГ, (1)

где г((р) — уравнение спирали, /(ф) — производная функции спирали по углу поворота <р, V, — радиальная скорость и-ой пространственной гармоники волны, Ч, — скорость волны вдоль витков спирали, п — номер пространственной гармоники. Преобразование уравнения (1) приводит к его представлению в виде

[М] -1 )г'2 + 2Л„М/ - г2 + = 0, (2)

где — замедление (при |МЛ|>1) или ускорение (при |А/„|<1) п-ой

пространственной гармоники радиальной водны по отношению к скорости у,;

К = =—-1. Частным случаем синхронной спирали является логарифмическая

спираль, соответствующая основной пространственной гармонике п = 0. Логарифмические спиральные структуры используются в широкополосных антеннах.

В зависимости от значений п и |М„| уравнение (2) будет описывать различные синхронные спирали, соответствующие разным прострапственным гармоникам. В диссертационной работе исследуются синхронные спирали для замедленных пространственных гармоник, поскольку для них из решения уравнения (2) следует существование стационарного радиуса, что на практике позволяет обоснованно ограничивать габариты излучателя. Для этого случая уравнение (2) имеет решение вида

1

<р = + — m

In\-p+jml +р2 ±V"i2+lln

-р + фп2+р2 Tym^ + l-l

-p+^rn1 +p2 1+1

(3)

где т = I/VЛ/2 — I, р = г/|Л| — безразмерный радиус. Индекс п здесь и далее опущен. При выборе верхнего знака в уравнении (3) существует стационарный радиус ри,щ = 1, ггац = 1Щ. Если 0 < р < 1, то спираль приближается к стационарному радиусу изнутри. Уравнение (3) отражает особенности синхронной спирали для замедленных волн как геометрического объекта.

Для решения задачи расчета основных характеристик синхронных спиральных излучателей используется приближение заданного тока в проводнике спирали и метод электродинамических потенциалов, а также численное моделирование излучения с помощью программы ММапа, в которой учитывается реальное распределения тока.

На основе проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе разрабатывается метод моделирования и расчета основных характеристик синхронных спиральных излучателей в свободном пространстве. Проводится анализ их дисперсионных свойств в целях физического обоснования основных режимов; показано, что в синхронной спирали существует обратная волна. Выводятся расчетные соотношения, необходимые для построения диаграмм направленности, предлагается метод расчета характеристик излучателей на основе синхронных спиралей. Выполняется сопоставление диаграмм направленности синхронной спирали, построенных в программе ММапа и рассчитанных по выведенным формулам. Выполняется сопоставление диаграмм направленности, построенных в программе ММапа для синхронного спирального и других типов излучателей.

В диссертации рассматривается синхронная спираль с ограниченным внешним радиусом (рис. 1), в которой существует только первая отрицательная гармоника радиальной волны (и = -1 в уравнениях (1) и (2)). Существование такой обратной волны в синхронной спирали может быть доказано на основе аналогии с замедляющими системами. Для этого необходимо рассмотреть сечение спирали лучом ф = 0 (рис. 2). В работе показано, что для решетки излучателей, образованной этим сечением, диаграмма направленности при одинаковой амплитуде излучателей может быть охарактеризована функцией

' ИГ (М

ехР< £ (А,*соз(В)-(?,) | , /-IV ч»чн )))

Г(е) = ехрд))е

11 (<)

где Q — общее количество точек в сечении спирали, <р, — набег фазы от (д-^-ого до <?-ого излучателя. В предположении об одинаковости диаграмм, полученных от сечений спирали лучам <р = 0 и <р = я суммарная диаграмма направленности синхронного спирального излучателя может быть найдена по формуле

Г^ (6) = Г (9) + Г (л - в) ехр соз (в)), (5)

где к — волновое число, Я — среднее значение радиусов, соответствующих сечению спирали лучом ср = 0..

Согласно теории замедляющих систем, для обеспечения аналогии следует рассматривать режим работы спирали, при котором выполняется условие синхронности, т.е. на резонансной длине волны 10 = 2лЯ . Обратная волна должна соответствовать отрицательному значению М.

В работе исследовалась синхронная спираль с М = -10, Я = 1 см на резонансной длине волны Хо = 6,28 см; вид спирали изображен на рис. !.

|\ч

г» <ч N

) Ьеег о о» etw foot jjj

J/ii

/а/ » Центр

спирали <Pi . ■•< »2 \ <й

.....+ о ' ''

Ллг. I. Исследуемая спираль

''■■9чЧ <?о

... Д.

L, Li

Рис. 2. Сечение спирали лучом р ~ 0

0о(в)!)г ,я

1<о.

•0.4 •

i

.......л.'.--'

2J8 ...ч ' КЮ

в

Рис. 4. Полная диаграмма

Рис. 3. Парциальная диаграмма На рис. 3 показана парциальная диаграмма, построенная для излучателей в сечении спирали ф = 0. Максимум излучения будет направлен под углом 0 = 180°,

т.е. волны будут распространяться к центру спирали. В данном случае спираль будет излучать волны с отрицательной дисперсией, что означает противоположность направлений распространения волн и передачи энергии. Полная диаграмма направленности, рассчитанная по соотношению (5), приведена на рис. 4. Она соответствует режиму осевого излучения спиральных антенн.

Существование обратной волны может быть доказано и на основе дифференциального уравнения синхронной спирали. В общем случае синхронные спиральные излучатели, как показано в работе, с точки зрения дисперсии могут работать во всех режимах, свойственных замедляющим системам.

Следующей задачей, решаемой в диссертации, является разработка метода моделирования синхронных спиральных излучателей, позволяющего рассчитывать основные характеристики излучателей в свободном пространстве. Векторный потенциал может быть рассчитан по известной в электродинамике формуле

А - , где Л — расстояние от элемента ¡¡V, в котором расположен элемент

с плотностью тока ], до точки наблюдения; к = о^Г — волновое число. В этом

случае £=—-— +ко А.

вец

В работе показано, что поле синхронного спирального излучателя в дальней зоне рассчитывается по формулам

Нв^*кС.Гф, нф Ев (б)

е 4л К Ф Ф 4л К е 0 4я Л 4л К

где

Ге=е х соэв \е 1 [—5ш(ф-Ф) + соз(ф-Ф)]й?г,

г г'

(7)

Г.=е "■ \е [— соб(ф-Ф)+5т(ср-Ф)]А\

г

В выражениях (7) го, <?о и Г), (р) — координаты начала и конца спирали, Хо — резонансная длина волны. Ф-составляющая поля параллельна плоскости расположения спирали ХОУ, ©-составляющая перпендикулярна радиус-вектору £ и Ф-составляющей поля.

Выражения (6,7) являются основой для моделирования и расчета параметров синхронных спиральных излучателей. Для витков, близких к стационарному радиусу, выражения (7) могут быть приведены к виду

)Ге|=¡eos ©| sin ycfy, |ГФ| = cos ^ (8)

o o

где b = \n\k /. к а ко — волновые числа для текущей и резонансной длин волн.

ДН антенны является её основной характеристикой; остальные характеристики могут быть рассчитаны до предложенному в работе методу моделирования, схема которого изображена на рис. 5. Расчет характеристик поля излучателей выполняется в соответствии с приведенными выше формулами. Сопротивление потерь рассчитывается на основе известной геометрии спирали с учетом скин-эффекта в проводнике.

Мощность электромагнитного излучения, формируемого излучателем в форме синхронной спирали в дальней зоне, определяется интегралом напряженности электрического или магнитного поля.

Рис. 5. Схема алгоритма метода моделирования синхронных излучателей Сопротивление излучению и угловая зависимость коэффициента направленного действия рассчитывается согласно их определению, введенному в электродинамике. К дополнительным характеристикам излучателей следует отнести волновое сопротивление спиралей и теоретические предельные рабочие частоты. В работе для всех шагов метода приведены расчетные соотношения.

В диссертации выполнено сопоставление ДН для синхронных спиральных излучателей, полученных расчетом цо выведенным формулам и моделированием в программе ММапа, основанного на численном решении уравнений Галена методом моментов. Установлено, что в целом ДН, рассчитанные в приближении заданного

тока и методом моментов, для разных частот приближенно совпадают. Это позволяет сделать вывод об адекватности полученных расчетных соотношений.

Выполненное в работе сопоставление ДН логарифмического, арифметического и синхронного спиральных излучателей позволило установить, что однозаходная синхронная спираль обладает большей частотной стабильностью в окрестности резонансной длины волны. Также было установлено, что синхронная спираль для некоторых частот обладает очень глубокими провалами диаграммы направленности в плоскости спирали, что в целом не характерно для арифметической и логарифмической спиралей.

В диссертации показано, что при значениях коэффициента замедления |Л/| ~ 1

ДН синхронной спирали для замедленных волн будет в целом соответствовать характеристике направленности кольца с током.

В третьей главе предлагается метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей. Предлагается уточненный метод расчета диаграмм направленности для антенн на основе плоских излучателей, имеющих фазовый центр, расположенных на плоском диэлектрике над экраном. Разрабатывается методика расчета волнового сопротивления линии передачи, образованной синхронной спиралью на диэлектрике над экраном. Исследуются свойства двухзаходной спирали при синфазном и противофазном возбуждении, разрабатывается конструкция антенн на основе синхронных спиральных излучателей.

В диссертации предлагается уточненный метод расчета ДН излучателей, имеющих фазовый центр и расположенных на слое диэлектрика над металлическим экраном. Он основан на представлении об излучении в дальней зоне как формируемом одной действительной (физически существующей) и радом мнимых спиралей, расположенных на поверхности подложки. Для произвольной мнимой спирали излучение обусловлено возбуждающим током действительной спирали (рис. б). В дальней зоне излучения таких спиралей сложатся.

Метод расчета ДН должен учитывать преломление волн электромагнитного излучения на границе раздела диэлектрика и свободного пространства и многократное отражение части электромагнитных волн от границ раздела диэлектрика и свободного пространства, а также их полного отражения от экрана, что приводит к формированию поля в дальней зоне из совокупности парциальных диаграмм направленности. Волна, распространяющая в диэлектрике (рис. 7) между

спиралями, будет приобретать набег фазы у = -

где с — скорость

света. С учетом преломления на границе диэлектрика и свободного пространства излучение, формируемое в дальней зоне под углом © некоторой мнимой спиралью, обусловлено излучением физически существующей спирали, распространяющимся

• (зЦ©^

под углом 0, =агс51п —

I VЕ.

с законом Снеллиуса.

относительно нормали к поверхности в соответствии

Синхронная спнрапь Мкиым синхронная слмраль

Рис. б. Действительный и мнимый излучатель Рис. 7. К расчету набега фазы .

Амплитудные коэффициенты для прошедшей и отраженной волн задаются формулами Френеля, которые в данном случае имеют вид: — для э-поляризации:

С05

Vе.

агсгш

V V.

т/н-ш

+ СОБ

(0)

( . (вш(в) агсзш —

3(0)

агсзт

- для р-поляризации:

Кр..р (®) ~ "7—соя Vе!

агсзш

КоЛ®>

( Г

соэ

Еш(©)

8т(©)Т

I

( ■ («п(е)У I I Vе, ))

£1

+ соз(0)

-^соз(©)

( . С 8Ш(©)

сое атсэт —¡¿«^

I I )}

С учетом изложенного, напряженность электрической составляющей поля в дальней зоне и её фаза относительно излучения действительной спирали могут быть рассчитаны по формулам

соэ л—.

N

475/ае,

ч Сл/е, -5Ш2(0)

(9)

Ч* = -агссоэ

сое

АтМг.

I—. . I-.-. »1 =

су 8, -8Ш2(в)

сое

и—V ■ Щ

ч с^е,-зш2(0)

у* 1 п

+

)) 1"-' 1

\Л

^ . ■ I ^ ''

ч Сл/Е, - Бт2(0) )} ^

где Е0 — составляющая поля, формируемая непосредственно излучением действительной спирали, N — количество учитываемых мнимых спиралей. Проведенные исследования показали, что для обеспечения погрешности моделирования менее 10 % следует ограничиться значением N = 5... 6.

В выражениях (9) парциальные составляющие Е„ формируются из составляющих £фя, Ё^, модули которых могут бьпъ найдены по формулам

/

Ф.агсвш

£ея(Ф,©) = ХяД©)(^ (©))""'£9

Ф, агсэш

5м(0)

& I

(10)

На основе изложенного может быть предложен следующий метод уточненного расчета диаграмм направленности (рис. 8).

Анализ геометрии излучающей систем мы

Х

Расчет координат фазового центра по первому критерию

Расчет

составляющих напряженности с в-и р-типом Расчет компонент поп« в дальней зоке

поляризации

* *

Расчет фазы. приобретаемо* волной при движении« Расчет суммарного поля в дальней зоне

диэлектрике

4 ■ *

Рзсчег диаграммы направленности Расчет фазового

кхпучающеи системы в свободном сдвига ¿лектромвгоитмых волн а дагьией зоне

пространств«

{^КониГ)

Рис, 8. Схема алгоритма метода расчета диаграммы направленности плоского излучателя, расположенного на слое диэлектрика над металлическим экраном Наличие фазового центра позволяет суммировать парциальные диаграммы относительно этой общей точки. В работе доказано, что фазовый центр синхронной спирали с достаточно большим количеством витков совпадает с её геометрическим

центром. Предложенный метод может быть применен для любого плоского излучателя, имеющего фазовый центр.

Далее в диссертации выводятся расчетные соотношения для волнового сопротивления синхронного спирального излучателя на диэлектрике над экраном как линии передачи. При этом полагалось, что спираль с заданными характеристиками R и М ограничена точками (%,. р0) в (ф,, р,). Поскольку спираль описывается зависимостью р(р), то целесообразно рассчитать волновое сопротивление 2(р) как функцию безразмерного радиуса. Согласно определению,

Z(p) = jLn(p)/C„(p). При постоянстве ширины проводника, как показано в теории печатных плат, Сп(р) = Сл = 0,26(1,41 + е)-10"'°|1п|^^8-- || . В работе показано,

что для спирального проводника Ln (р)=

-.-1

'¿<p(P)Y

;

Щр)

-—, где

dp

Цр) — зависимость полной индуктивности от р.

В ходе исследований двухзаходных синхронных спиралей было установлено, что для синфазного возбуждения ДН обладает высокой частотной стабильностью. На рис. 9 показаны ДН для случая М- 10, Я = 0,01 м.

а) I ■■ ' "■.;.- / гг\\ . . \ 6} Рис. 9. ДН двухзаходных синхронных спиральных излучателей при синфазном

возбуждении: а) на частоте 300 МГц; б) на частоте 3000 МГц При противофазном возбуждении двухзаходные спиральные антенны имеют глубокий минимум излучения в азимутальной плоскости. Глубокие провалы позволяют использовать двухзаходные спиральные излучатели, например, в системах пеленгации и поиска источников излучения при радиоконтроле.

Предлагаемый метод проектирования в виде схемы алгоритма изображен на рис. 10. Выбор параметров синхронной спирали осуществляется на основе требований к форме диаграмм направленности на разных частотах рабочего диапазона, оговоренного в техническом задании. К таким параметрам относят коэффициент замедления волны М и значение стационарного радиуса Я. Расчет

основных характеристик для синхронной спирального излучателя выполняется в соответствии с предложенным выше методом.

Выбор конструкции антенны определяется еб назначением и условиями эксплуатации. Для антенн, работающих на часть пространства, характерна конструкция, при которой спиральный излучатель располагается на диэлектрике над металлическим экраном, который существенно влияет на форму ДН. Рассчитывать скорректированную форму ДН для этого случая следует по предложенному выше методу. Согласующие элементы обычно входят в конструкцию антенны, и их проектирование сводится к расчету параметров.

Расчет волнового сопротивления выполняется при использовании излучателей в составе фазированных решеток в качестве фиктивных с подключением к согласованным нагрузкам в целях улучшения параметров антенны.

Рис. 10. Схема алгоритма проектирования антенны на основе синхронной спирали В четвертой главе приведено описание внедрения методов, методик и других результатов диссертационной работы в разработку антенны для устройства мониторинга сетей сотовой связи. Приводятся постановка задачи, обоснование выбора параметров и конструкции антенны, расчет диаграмм направленности и других характеристик, а также описание конструкции и предполагаемого процесса производства антенны.

Объектом проектирования являлось антенное устройство с диапазоном рабочих частот от 450 до 1900 МГц. В ходе проектирования были рассчитаны основные параметры геометрии и другие его характеристики в соответствии с предложенным алгоритмом проектирования. Конструкция антенны предусматривает использование отражающего экрана, что обусловлено спецификой назначения устройства мониторинга сетей сотовой связи. На основе проведенных расчетов определено, что радиус подложки должен составлять не менее 43 мм; кроме того, принято Я - 12 мм, М = 7. На рис. 11 приведены диаграммы направленности для спиральных излучателей в свободном пространстве и на подложке с выбранными характеристиками для характерных частот сотовой связи. В качестве диэлектрической основы рекомендуется СВЧ-керамика. Согласно расчетам, толщина керамического основания составила 20 мм.

а) б) в)

Рис. 11. Диаграммы направленности антенн на основе синхронной спирали без экрана в свободном пространстве (пунктир) и с экраном (сплошная линия) для частот: а) 450 МГц; б) 900 МГц; в) 1800 МГц Разработанная конструкция антенны изображена на рис. 12. Металлический экран и согласующий диск выполнены слоем металлизации и замкнуты накоротко при помощи такого же слоя металлизации, выстилающего поверхность отверстия в керамическом основании. Диаметр отверстия в основании должен быть равен диаметру внутреннего диэлектрика коаксиального кабеля для обеспечения заданного значения волнового сопротивления.

Для получения медного покрытая на поверхности керамики можно использовать её химическое осаждение с последующим электрохимическим наращиванием и выжиганием. При сборке керамическое основание и прокладка скрепляются с жестким выдерживанием центровки. Жила коаксиального кабеля со стороны керамической прокладки соединяется с проводником спирали. С другой стороны жила предварительно впаивается в центральный контакт коаксиального

разъема, корпус которого по периметру припаивается к экрану антенны. Достоинством такой конструкции является простота, сравнительно низкая стоимость производства комплектующих .я сборки. После сборки антенна подвергается выходному контролю.

Таким образом, результаты работы внедрены в проектирование антенны, отражающей современные требования к характеристикам и параметрам приемно-излучающпх структур. Разработанная конструкция антенны соответствует современному состоянию развития техники и технологии производства антенных устройств.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении к диссертационной работе приведены диаграммы направленности логарифмического, арифметического и синхронного спиральных излучателей для разных частот и значений параметров.

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты.

1. На основе современного состояния развития и требования к антенным устройствам радиотехнических систем отмечены достоинства и недостатки существующих типов широкополосных спиральных антенн, выявлены перспективные направления развития широкополосных антенн. На основе выполненного анализа в качестве объекта исследований была выбрана плоская спиральная антенна с геометрией, отличной от известных. Анализ современного уровня исследований антенн этого типа позволил сформулировать направления дальнейших исследований.

Додам« тяшшшмегапцм Шткахшямяття»

Рис. 12. Конструкция антенны: а) вид сверху; б) сечение А-А

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

2. Проанализированы дисперсионные свойства излучателей в форме синхронных спиралей, что дало возможность провести анализ режимов их работы. Установлено, что излучатели данного типа могут работать с нормальной положительной и аномальной отрицательной дисперсией. Показано существование обратной волны в синхронной спирали как основной и оказывающей существенное влияние на формирование диаграммы направленности излучателя.

3. Получены соотношения для расчета диаграмм направленности синхронных спиральных излучателей, расположенных в свободном пространстве, в приближении постоянной амплитуды возбуждающего тока, являющиеся основой для разработанного в диссертационной работе метода моделирования и расчета основных характеристик излучателей исследуемого типа. Он позволяет рассчитывать параметры излучателей на стадии проектирования антенн на их основе, что важно при решении практических инженерных задач. Достоверность полученных математических и других результатов подтверждена сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием предложенных математических соотношений и системы моделирования антенн ММапа.

4. Выполнено качественное и количественное исследование свойств излучателей в форме синхронных спиралей и их сопоставление с другими типами плоских спиральных антенн, что позволило установить основные отличия между ними, а также указать перспективные области их практического применения.

5. Разработан уточненный метод расчета диаграмм направленности для плоских излучающих систем, расположенных на диэлектрике над идеальным металлическим экраном, основанный на приближении геометрической оптики и её законах. Данный метод предназначен для расчета диаграмм направленности систем, имеющих фазовый центр, наличие которого и является критерием её применимости. Метод позволяет учесть ряд физических явлений, происходящих на границе раздела диэлектрика и пространства. На практике он позволяет более точно рассчитывать диаграммы направленности в случае использования экранов, и является составной частью предложенного в диссертации метода проектирования.

6. Разработана методика расчета волнового сопротивления антенн на основе синхронной спирали при её рассмотрении в качестве линии передачи, расположенной на диэлектрике над металлическим экраном. Данная методика может быть использована для расчета согласующих нагрузок в случае, когда синхронная спираль используется в качестве пассивного элемента антенной решетки, что позволяет на практике существенно улучшить их характеристики.

7. Выполнено исследование свойств двухзаходных спиральных излучателей в условиях синфазного и противофазного возбуждения. Оно показало, что при синфазном возбуждении обеспечивается высокая стабильность формы диаграммы направленности, что позволяет при обеспечении широкополосного согласования получить коэффициент перекрытия по частоте более десяти. Это позволило расширить .область предполагаемого использования антенн нового типа и указать на перспективность использования многозаходных синхронных спиральных излучателей.

8. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, позволяющий проектировать антенны нового типа. Предложенный Метод предусматривает всестороннюю проработку вопросов, связанных с проектированием и конструированием, а также согласованием антенны с фидерным трактом в широкой полосе частот и расчетом дополнительных характеристик.

9. Разработана конструкция антенн на основе синхронных спиралей, отвечающая современным требованиям, предъявляемым к антенным устройствам. Предложенная конструкция предусматривает применение излучателей в форме синхронной спирали совместно с отражающим экраном или без него и может быть использована в качестве базовой при использовании антенн нового типа в практических разработках.

10. На основе результатов, полученных в диссертационной работе, выполнено проектирование широкополосной антенны на основе синхронной спирали для устройства мониторинга сетей сотовой связи. Данное практическое приложение отражает современные требования, предъявляемые к антенным устройствам, а также иллюстрирует практическое применение предложенных методов и методик для решения инженерных задач.

11. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики» на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и на кафедре «Радиоэлектроника», а также в разработку антенных устройств перспективных радиотехнических систем на Федеральном государственном унитарном предприятии Ордена Трудового Красного Знамени «Научно-исследовательский институт радио».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Солнцев В.А., Захарова С.С. Излучение синхронной спирали, возбуждаемой волной тока. — Труды LXI научной сессии НТО РЭС им. A.C. Попова, посвященной дню радио. — М.: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2006. — с. 305-307.

2. Захарова С.С., Солнцев В.А. Компьютерное моделирование излучения синхронной спирали. — Труды LXIII научной сессии НТО РЭС им. A.C. Попова, посвященной дню радио. — М.: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2008. — с. 334-336.

3. Захарова С.С., Солнцев В.А. Анализ возможностей использования антенн на основе синхронных спиралей для улучшения показателей ЭМС радиоэлектронных средств. — Технологии ЭМС, №3,2008. — с. 34-41.

4. Захарова С.С. Солнцев В.А. Расчет электромагнитного поля синхронной спирали, возбуждаемой волной тока. — Труды НИИР, №4,2008. — с. 51 -54.

5. Захарова С.С. Солнцев В.А. Компьютерное моделирование антенн, построенных на базе синхронных спиралей. — Труды НИИР, №4, 2008. — с. 55-59.

6. Захарова С.С. Расчет волнового сопротивления однозаходной синхронной спиральной антенны, расположенной над металлическим экраном — Труды НИИР, №1,2009. — с. 88-95.

7. Захарова С.С. Комплексный расчет характеристик антенн на основе синхронных спиралей. — Труды НИИР, №1,2009. — с. 96-104.

8. Захарова С.С. Метод проектирования антенн на основе синхронных спиралей. — Труды НИИР, №2,2009. — с. 61-64.

9. Захарова С.С. Расчет диаграммы направленности синхронной спиральной антенны на диэлектрике над металлическим экраном. —: Труды НИИР, №2, 2009. —с. 65-74.

Ш.Захарова С.С. Волновое сопротивление однозаходной синхронной спиральной антенны над проводящим экраном. —«Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. / Под ред. Нечаева JI.H. —М.: МИЭМ, 2009. — с. 85-93.

П.Захарова С.С. Методика расчета скорректированной диаграммы направленности при расположении синхронной спиральной антенны на диэлектрике над металлическим экраном. — «Электромагнитная

совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. / Под ред. Кечиева Л.Н. — М.: МИЭМ, 2009. — с. 94 -105.

12. Захарова С.С. Расчет характеристик антенн на основе синхронных спиралей. — «Электромагнитная совместимость н проектирование электронных средств», сборник научных трудов. /Под ред. Кечиева Л.Н. — М.: МИЭМ, 2009. — с. 106-117.

Подписано в печать 14.05.2010. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. я. 1,5 Тираж 110 экз. Заказ 1074.

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3.

Центр оперативной полиграфии (495) 915-88-04, 916-89-25

Введение.

1. Анализ применения спиральных антенн в радиотехнических системах.

1.1. Анализ перспектив развития антенных систем.

1.2. Анализ свойств существующих типов спиральных антенн и принципов их работы

1.3. Вывод дифференциального уравнения синхронной спирали и его решение.

1.4. Методы расчета характеристик плоских спиральных излучателей.

1.5. Исследование возможности создания и пути исследования антенн на основе синхронных спиралей.

1.6. Постановка задач диссертационной работы.

2. Разработка метода моделирования и расчета характеристик синхронных спиральных излучателей.

2.1. Качественный анализ излучения синхронного спирального излучателя.

2.2. Анализ дисперсионных свойств излучателей на основе синхронных спиралей как замедляющих систем.

2.3. Расчет диаграммы направленности синхронного спирального излучателя хметодом векторных потенциалов при заданном возбуждающем токе.

2.4. Расчет основных характеристик излучателей на основе синхронных спиралей.

2.5. Моделирование излучателей в форме однозаходных синхронных спиралей в программе ММапа с учетом распределения возбуждающего тока.

2.6. Сопоставление диаграмм направленности синхронных спиральных излучателей с другими их типами.

2.7. Разработка метода моделирования спиральных излучателей.

2.8. Выводы.

3. Разработка метода проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, расположенных над плоским металлическим экраном.

3.1. Разработка метода проектирования антенн на основе синхронных спиралей.

3.2. Разработка метода расчета диаграммы направленности для излучателей, расположенных над металлическим экраном.

3.3. Расчет волнового сопротивления синхронного спирального излучателя, расположенного над плоским металлическим экраном.

3.4. Анализ свойств антенн на основе двухзаходных спиральных излучателей при синфазном и противофазном возбуждении.

3.5. Разработка конструкции антенн на основе синхронной спирали.

3.6. Выводы.

4. Внедрение результатов диссертационной работы в разработку антенны для устройства мониторинга сетей сотовой связи.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Обоснование выбора конструкции и параметров антенны.

4.3. Расчет основных характеристик проектируемой антенны.

4.4. Конструкция спроектированной антенны и технологический процесс производства .:.

4.5. Выводы.

Важной тенденцией в развитии телекоммуникационных и ряда других средств является их перевод на беспроводную, эфирную основу, что обуславливает необходимость дальнейшего развития антенных устройств, определяющих многие предельные показатели радиотехнических систем.

Развитие антенной техники и повышение требований к разработкам привело к актуализации новых проблем проектирования антенн. Многие из них связаны с получением требуемых характеристик, созданием антенн с уникальными свойствами — фазированных антенных решеток, адаптивных и сверхнаправленных антенн, а также широкополосных антенных устройств.

Расширение рабочей полосы антенн является одним из основных средств повышения информационной емкости и пропускной способности радиотехнических систем. Антенны обычно представляют собой сложные устройства, основной частью которых являются излучатели. Одним из наиболее важных и распространенных типов являются антенны на основе спиральных излучателей, широкое применение которых в радиотехнических системах подчеркивает важность развития теоретических основ их проектирования и конструирования, а также поиска новых типов спиральных излучателей и разработки методов проектирования антенн на их основе.

Основное отличие спиральных излучателей друг от друга заключается в их геометрии, числе заходов, шаге витков, которые можно считать их параметрами. Существенное значение имеет закон навивки спирали, который во многом определяет параметры антенны. В качестве параметра можно ввести также коэффициент замедления радиальной волны, широко используемый в диссертации и введенный в теории замедляющих систем как их характеристика.

В России развитию теории и практики использования спиральных антенн посвящены работы Казарина А.Н., Шестопалова В.П., Рунова А.В., Смирнова Н.Н., Сазонова Д.М., Чебышева В.В. и др. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Сенсипера С., Рамзея В., Йена Ю., Турнера Е., Риблета X., Жонеса Г.

В работах этих авторов были заложены и развиты теоретические основы функционирования антенн со спиральными излучателями, выявлены и проанализированы их основные свойства и режимы работы, получены основные расчетные соотношения, а также показаны достоинства и недостатки практического использования спиральных антенн, основным качеством которых является широкополосность и высокая частотная стабильность характеристик.

Проведенный анализ современного состояния развития теории спиральных антенн показал, что в данной области имеются вопросы, требующие дополнительной проработки и развития. К новым, малоисследованным типам антенн относятся плоские антенны, построенные на основе спиральных излучателей, отличающихся по конфигурации от наиболее известных — логарифмической и арифметической спиралей.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов моделирования и проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, а также исследованию их свойств. Синхронная спираль как излучатель для построения антенн и составная часть замедляющих систем была предложена в 1994 г. Солнцевым В. А. [19]. Исследование её характеристик, а также разработка метода проектирования, конструкции и получение расчетных соотношений является задачей, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение.

На основе проведенного в диссертационной работе анализа существующих типов излучателей для спиральных антенн и их свойств, а также описания синхронной спирали как геометрического объекта можно сформулировать цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка методов моделирования и исследование свойств синхронных спиральных излучателей, разработка метода расчета их характеристик, включая расчет диаграмм направленности для излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, а также алгоритма проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.

1. Проведен анализ использования антенн в современных радиотехнических системах и существующих типов спиральных антенн, их свойств и режимов работы, а также качественный анализ синхронной спирали как объекта исследования, что позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

2. На основе положений теории замедляющих систем проведен анализ дисперсионных свойств, что дало возможность обосновать с физической точки зрения основные режимы работы синхронного спирального излучателя.

3. На базе теории электродинамических потенциалов предложен метод моделирования и расчета диаграмм направленности излучения и основных характеристик для однозаходных синхронных спиральных излучателей. Выполнена проверка полученных соотношений путем сопоставления результатов расчета по предложенным формулам и компьютерного моделирования характеристик излучения синхронного спирального излучателя в программе ММапа.

4. Выполнено сопоставление диаграмм направленности арифметической, логарифмической и синхронной спиральных антенн для разных частот с целью установления их качественных и количественных различий и определения области применения излучателей нового типа.

5. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиралей, предполагающий использование методов, предложенных в диссертационной работе.

6. Разработан метод уточненного расчета диаграмм направленности для плоских излучателей, имеющих фазовый центр и расположенных над плоским отражающим экраном. Он необходим для проектирования антенн, в которых излучатель расположен на подложке над металлическим экраном.

7. Разработана методика расчета волнового сопротивления синхронной спирали, выполненной на слое диэлектрика над металлическим экраном, необходимая при использовании таких антенн в качестве излучающих элементов фазированных решеток.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 87 наименований, и приложения. Общий объем работы - 162 с. В приложение к диссертационной работе вынесены результаты моделирования арифметической, логарифмической и синхронной спиральной антенн для разных частот. Объем приложения — 21с.

2. Результаты работы внедрены в проектирование антенны, отражающей современные требования к характеристикам и параметрам приемно-излучающих структур, что еще раз подтверждает актуальность предложенных в диссертационной работе методов и методик. Разработанная конструкция антенны соответствует современному состоянию развития техники и технологии производства радиоэлектронных средств.

Заключение

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты.

1. На основе современного состояния развития и требования к антенным устройствам радиотехнических систем отмечены достоинства и недостатки существующих типов широкополосных спиральных антенн, выявлены перспективные направления развития широкополосных антенн. На основе выполненного анализа в качестве объекта исследований была выбрана плоская спиральная антенна с геометрией, отличной от известных. Анализ современного уровня исследований антенн этого типа позволил сформулировать направления дальнейших исследований.

2. Проанализированы дисперсионные свойства излучателей в форме синхронных спиралей, что дало возможность провести анализ режимов их работы. Установлено, что излучатели данного типа могут работать с нормальной положительной и аномальной отрицательной дисперсией. Показано существование обратной волны в синхронной спирали как основной и оказывающей существенное влияние на формирование диаграммы направленности излучателя.

3. Получены соотношения для расчета диаграмм направленности синхронных спиральных излучателей, расположенных в свободном пространстве, в приближении постоянной амплитуды возбуждающего тока, являющиеся основой для разработанного в диссертационной работе метода моделирования и расчета основных характеристик излучателей исследуемого типа. Он позволяет рассчитывать параметры излучателей на стадии проектирования антенн на их основе, что важно при решении практических инженерных задач. Достоверность полученных математических и других результатов подтверждена сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием предложенных математических соотношений и системы моделирования антенн ММапа.

4. Выполнено качественное и количественное исследование свойств излучателей в форме синхронных спиралей и их сопоставление с другими типами плоских спиральных антенн, что позволило установить основные отличия между ними, а также указать перспективные области их практического применения.

5. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, позволяющий проектировать антенны нового типа. Предложенный метод предусматривает всестороннюю проработку вопросов, связанных с проектированием и конструированием, а также согласованием антенны с фидерным трактом в широкой полосе частот и расчетом дополнительных характеристик. Алгоритм проектирования базируется на методах и методиках, разработанных в диссертационной работе.

6. Разработан уточненный метод расчета диаграмм направленности для плоских излучающих систем, расположенных на диэлектрике над идеальным металлическим экраном, основанный на приближении геометрической оптики и её законах. Данный метод предназначен для расчета диаграмм направленности систем, имеющих фазовый центр, наличие которого и является критерием её применимости. Метод позволяет учесть ряд физических явлений, происходящих на границе раздела диэлектрика и пространства. На практике он позволяет более точно рассчитывать диаграммы направленности в случае использования экранов, и является составной частью предложенного в диссертации метода проектирования.

7. Разработана методика расчета волнового сопротивления антенн на основе синхронной спирали при её рассмотрении в качестве линии передачи, расположенной на диэлектрике над металлическим экраном. Данная методика может быть использована для расчета согласующих нагрузок в случае, когда синхронная спираль используется в качестве пассивного элемента антенной решетки, что позволяет на практике существенно улучшить их характеристики.

8. Выполнено исследование свойств двухзаходных спиральных излучателей в условиях синфазного и противофазного возбуждения. Оно показало, что при синфазном возбуждении обеспечивается' высокая стабильность формы диаграммы направленности, что позволяет при обеспечении широкополосного согласования получить коэффициент перекрытия по частоте более десяти. Это позволило расширить область предполагаемого использования антенн нового типа и указать на перспективность использования многозаходных синхронных спиральных излучателей.

9. Разработана конструкция антенн на основе синхронных спиралей, отвечающая современным требованиям, предъявляемым к антенным устройствам. Предложенная конструкция предусматривает применение излучателей в форме синхронной спирали совместно с отражающим экраном или без него и может быть использована в качестве базовой при использовании антенн нового типа в практических разработках.

10. На основе результатов, полученных в диссертационной работе, выполнено проектирование широкополосной антенны на основе синхронной спирали для устройства мониторинга сетей сотовой связи. Данное практическое приложение отражает современные требования, предъявляемые к антенным устройствам, а также иллюстрирует практическое применение предложенных методов и методик для решения инженерных задач.

11. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики» на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и на кафедре «Радиоэлектроника», а также в разработку антенных устройств перспективных радиотехнических систем на Федеральном государственном унитарном предприятии Ордена Трудового Красного Знамени «Научно-исследовательский институт радио».

1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальных ВУЗов. — М.: Энергия, 1975. — 528 с.

2. Диксон Д. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. — М.: «Мир», 1969. — 440 с.

3. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы в электродинамике. — Серия «Современная радиоэлектроника», вып.З — М.: «Советское радио», 1970. — 120 с.

4. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office. — М.: «COJIOH-Пресс», 2003. — 496 с.

5. Черемсин О.П. Адаптивные алгоритмы обработки сигналов в многоканальных приёмных системах с антенными решётками. — Радиотехника и электроника, т.51, № 9,2006. — с. 1087 — 1098.

6. Вишневский В.М. и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. — М.: «Техносфера», 2005. — 592 с.

7. Активные фазированные антенные решетки. — Под ред. Воскресенского Д.И., Канащенкова А.И. — М.: «Радиотехника», 2004 г. — 448 с.

8. Метрикин А.А. Антенны и волноводы. — М.: «Связь», 1977. — 184 с.

9. Бакулин М.Г., Крейделин В.Б., Шумов А.П. Повышение скорости передачи информации и спектральной эффективности беспроводных систем связи. — Цифровая обработка связи, 1, 2006. — с.2 — 12.

10. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф. Современные методы аппроксимации в теории антенн. Кн.1. Задачи синтеза антенн и новые методы их решения. — М.: ИП «РЖР», 2002. — 72 с.

11. П.Рамзей В., Уэлч Д. Частотно-независимые антенны. — Сборник «Сверхширокополосные антенны». — М.: Мир, 1964. — 175 с.

12. Яцкевич В.А. Логопериодические антенны. — М.: «Вологда», 1994.

13. Петров Б.М., Костромитин Г.И., Горемыкин Е.В. — Логопериодические вибраторные антенны. — М.: «Телеком», 2005.

14. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. — М.: «Радио и связь», 1966. — 144 с.

15. Ротхаммель К. Антенны. — Серия «Массовая радиобиблиотека», вып.№637. — М.: «Энергия», 1967. — 272 с.

16. Коган С.Х. Распространение радиоволн вдоль бесконечной спирали. — «ДАН СССР», т.66, №5, 1949. — с.867-883.

17. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны. — М.: Советское радио, 1974.—224 с.

18. Тимирев Н.П. К вопросу о возможности создания квазичастотно-независимой спиральной антенны на эллипсоиде вращения. — Тезисы докладов на XXII НТК Ленинградского отделения НТО РиЭ. — Ленинград, 1967 г.

19. Солнцев В.А. Плоские спиральные системы с постоянной радиальной фазовой скоростью. —Радиотехника и электроника, т.39, №4, 1994. — с 552-559.

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. — 608 с.

21. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. — М.: Издательство иностранной литературы, 1951. — 828 с.

22. Айзенберг А.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. — М.: Радио и связь, 1985. — 536 с.

23. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. — М.: РадиоСофт, 2002. — 80 с.

24. Антенны сантиметровых волн. T.I. — Под ред. Фельда Я.Н. — М.: Советское радио, 1950, —318 с.

25. Чебышев В.В. Микрополосковые антенны в многослойных средах. — М.: Радиотехника, 2007. —. 160 с.

26. Де Гроот С.Р., Сатторп Л.Г. Электродинамика — М.: Наука, 1982. — 560 с.

27. Братчиков А.Н., Иоаннесянц М.Р. Волоконно-оптические системы в фазированных антенных решетках. — М.: Зарубежная электроника, вып. 11/12, 1994. — с.53-64.

28. Кузаев Г.А., Назаров И.В. Электродинамика и техника сверхбыстрой обработки сигналов. — М,: МИЭМ, 2001. — 48 с.

29. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. — М.: «Связь», 1969, —375 с.

30. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. — Под ред. Цейтлина Н.М. — М.: «Радио и связь», 1985. — 368 с.

31. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. — М.: Советское радио, 1961. — 816 с.

32. Рамо С., Уиннери Дж. Поля и волны в современной радиотехнике. — М.: Гостехиздат, 1948. — 632 с.

33. Вольман В.И. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. — М.: Связь, 1971. — 487 с.

34. Солнцев В.А., Назарова М.В. Аналитические методы в радиотехнике. — М.: МИЭМ, 1981.

35. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. — М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1957. — 700 с.

36. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. — М.: Советское радио, 1957. — 648 с.

37. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. — М.: Наука, 1987. — 519 с.

38. Казарин А.Н., Юрцев О.А. Спиральные антенны. — Минск: Издательство МВИРТУ, 1962. —227 с.

39. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. — М.: Наука, 1973. — 342 с.

40. Аграновский К.Ю., Златогурский Д.Н., Киселев В.Г. Радиотехнический системы.

41. М.: «Высшая школа», 1979. — 333 с.

42. Гончаренко PI.B. Антенны KB и УКВ. Компьютерное моделирование. 4.1. — М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2004. — 128 с.

43. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA.

44. М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2002. — 80 с.

45. Пистолькорс А.А. Современные проблемы антенно-волноводной техники. — М.: Наука, 1967, —216 с.

46. Корн Г.А., Корн Т.А. Справочник по математике. — М.: Наука, 1974. — 832 с.

47. Захарова С.С., Солнцев В.А. Анализ возможностей использования антенн на основе синхронных спиралей для улучшения показателей ЭМС радиоэлектронных средств. — Технологии ЭМС, №3, 2008. — с34-41.

48. Захарова С.С. Расчет характеристик антенн на основе синхронных спиралей. — «Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств», сборник научных трудов. /Под ред. Кечиева JI.H. — М.: МИЭМ, 2009. — с 106-117.

49. Карасюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. — М.: Высшая школа, 1974. — 536 с.

50. Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. — М.: ИП «РадиоСофт», 2009.272 с.

51. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. — М.: Советское радио, 1975. — 248 с.

52. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. — М.: Радио и связь, 1983. — 272 с.

53. Тарлецкий Я.П., Рыбаков Ю.П. Электродинамика. — М.: Высшая школа, 1990. — 352 с.

54. Баскаков С.И. Основы электродинамики. — М.: Советское радио, 1973. — 248 с.

55. Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника. Учебное пособие. — СП.-Б.: Лань, 2007. — 704 с.

56. Захарова С.С. Метод проектирования антенн на основе синхронных спиралей. — Труды НИИР, №2, 2009. — с.61-64.

57. Семенов А.А. Теория электромагнитных волн. Лекционный курс для радиофизиков. — М.: Издательство московского университета, 1962. — 256 с.

58. Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б. Антенны. — Серия «Массовая радиобиблиотека», вып. №1173М.: «Радио и связь», 1992. — 144 с.

59. Захарова С.С. Солнцев В.А. Расчет электромагнитного поля синхронной спирали, возбуждаемой волной тока. — Труды НИИР, №4, 2008. — с.51-54.

60. Алмазов-Давженко К.И., Королев А.Н. Техническая электродинамика и устройства СВЧ. — М.: «Научный мир», 2006. — 263 с.

61. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Аналитическая геометрия. — М.: «Наука», 1971. — 232 с.

62. Кочин Н.Е. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления. — М: «Наука», 1965. —426 с.

63. Захарова С.С. Солнцев В.А. Компьютерное моделирование антенн, построенных на базе синхронных спиралей. — Труды НИИР, №4, 2008. с.55-59.

64. Захарова С.С. Комплексный расчет характеристик антенн на основе синхронных спиралей. — Труды НИИР, №1, 2009. — с.96-104.

65. Захарова С.С. Расчет диаграммы направленности синхронной спиральной антенны на диэлектрике над металлическим экраном. — Труды НИИР, №2, 2009. — с.65-74.

66. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. — М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. — 616 с.

67. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчёт индуктивностей. Справочная книга. — Ленинград: «Энергия», 1986. — 488 с.

68. Захарова С.С. Расчет волнового сопротивления однозаходной синхронной спиральной антенны, расположенной над металлическим экраном — Труды НИИР, №1,2009. —с.88-95.

69. Захарова С.С. Волновое сопротивление однозаходной синхронной спиральной антенны над проводящим экраном. — «Электромагнитная совместимость ипроектирование электронных средств», сборник научных трудов. /Под ред. Кечиева Л.Н. — М.: МИЭМ, 2009. — с 85-93.

70. Драбкин А.П., Коренберг Е.Б., Меркулов С.Е. Антенны. — Серия «Массовая ради о библиотека». — М.: Радио и связь, 1995. — 153 с.

71. Чернушенко A.M., Петров Б.В., Малорацкий Л.Г. и др. Конструирование экранов и СВЧ-устройств. — М.: Радио и связь, 1990. — 352 с.71. http://www.pcb.spb.ru/zazor.html.

72. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. — М.: Высшая школа, 1981, —295 с.

73. Горобец А.И., Сиепаненко А.И., Коронкевич В.М. Справочник по конструирования радиоэлектронной аппаратуры (печатные узлы). — Киев: Техшка, 1985. — 312 с.

74. Медведев А. Технология производства печатных плат. — М.: Техносфера, 2005. — 360 с.

75. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. — М.: Химиздат, 2007. — 784 с.

76. Разроев Э. Инфокоммуникационный бизнес: управление, технологии, маркетинг.

77. М.: Профессия, 2003. — 352 с.

78. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. — М.: ЭкоТренд, 2005. — 292 с.

79. Абилов А.В. Сети сотовой связи. Учебно-методическое пособие по курсу «Сети связи». — Ижевский государственный технический университет, 2000. — 20 с.

80. Справочник по электротехническим материалам. Т.2. — Под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. —М.: Энергоатомиздат, 1987. — 464 с.

81. ГОСТ 5458-75 «Материалы керамические электротехнические. Технические условия».

82. Эннс В.И. Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. — М. Горячая линия Телеком, 2005. — 454 с.

83. Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ.

84. Пер. с англ. под ред. Фрадина А.Э. — М.: Связь, 1976. — 152 с.

85. Пестряков В.Б. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Советское радио, 1969, — 208 с.

86. Парфенов О.Д. Технология микросхем. — М.: Высшая школа, 1986. — 320 с.

87. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. Учебник — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. — 360 с.

88. Захарьев Л.Н. и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. — М.: Радио и связь, 1985. —368 с.

89. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. 632 с.

90. М.: Советское радио, 1966. —