автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Теория моделирования антенно-фидерных устройств линейными LC-цепями с потерями, их проектирование и техническая реализация в ВЧ-диапазоне

г:б од

' 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

Казанский Лев Серафимович

ТЕОРИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ЛИНЕЙНЫМИ ЬС-ЦЕПЯМИ С ПОТЕРЯМИ, ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ В ВЧ-ДИАПАЗОНЕ

Специальность 05.12.07 Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

'^^с^и Самара-1998

Работа выполнена в Самарском отраслевом научно-исследовательском институте радио (СОНИИР) Государственного комитета РФ по связи и информатизации

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Б.Ю. Капилевич

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Неганов

доктор технических наук, профессор В.Г. Ямнольский

Ведущее предприятие: ОАО «ЦКБ Связь», г. Москва.

со

Защита диссертации состоится /О_1998 г. в /'' ~~ч

на заседании диссертационного совета ДР 118.10.32 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Поволжском институте информатики, радиотехники и связи по адресу: г. Самара, ул. Л. Толстого, 23.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим выслать по адресу: 443010, г. Самара, ул. Л. Толстого, 23, ПИИРС, ученому секретарю Сподобаеву Ю.М.

С диссертацией соискателя можно ознакомиться в библиотеке Поволжского института информатики, радиотехники и связи.

Автореферат разослан "/с?" 09 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Ю.М. Сподобаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и состояние вопроса

При решении задач анализа и синтеза некоторых классов антенно-фидерных устройств известные в настоящее время методы не обеспечивают в ряде случаев необходимую эффективность. В частности, при анализе произвольных проволочных антенн методами интегральных уравнений возникают проблемы, связанные с плохой обусловленностью систем линейных уравнений, медленной сходимостью и недостаточной устойчивостью решений, особенно в системах произвольно ориентированных проводов с существенно различными радиусами. Значительные трудности, связанные с ограниченными возможностями существующих методов, возникают также при решении задач синтеза сложных многовходовых фазирующих устройств для антенных решеток, особенно сверхширокополосных; анализа и синтеза некоторых классов мощных согласующих устройств со сложной конфигурацией элементов. Перспективным направлением в решении указанных, а также некоторых других проблем является создание соответствующих подходов и методов на основе моделирования антенно-фидерных устройств ЬС-цепями. Такое моделирование позволяет построение эффективных и надежных численных алгоритмов, обеспечивающих высокую точность расчетов, широкий диапазон изменения исходных параметров, возможности применения мощного аппарата синтеза цепей и соответствующих программных продуктов. Друг ой аспект цепного моделирования - реализация устройств, которые традиционно создавались на иной конструктивно-технологической основе. В результате могут быть получены фидерные устройства с новыми свойствами, например, достигнуто резкое сокращение габаритов, расширение полосы частот. Физическое моделирование с целью реализации может осуществляться в любых диапазонах частот. В частности, физическое моделирование оказывается весьма полезным в ВЧ диапазоне. Здесь следует отметить, что благодаря развитию техники в направлении автоматизации установления связи, автоматического выбора оптимальных частот и пути связи (пунктов переприема) ВЧ связь остается в ряде случаев конкурентоспособной, особенно для специальных условий применения. Имеет определенные перспективы и ВЧ вещание, в связи с переходом к однополосному и цифровому вещанию.

В перспективных системах ВЧ связи и вещания требуется использование нового поколения антенн и антенно-фидерных устройств: дешевых, занимающих малую площадь, автоматически коммутируемых и перестраи-

ваемых, обеспечивающих высокую надежность и живучесть антенно-фидерного тракта и системы в целом. Создание подобных антенн и антенно-фидерных устройств (АФУ) в свою очередь требует дальнейшего совершенствования теории и техники, разработки соответствующих новых принципов, подходов, математических моделей, методов и алгоритмов, а также новых технических решений.

Широкие возможности эффективного решения указанного круга проблем открываются на путях дальнейшего развития упомянутых выше теории, методов и алгоритмов моделирования АФУ LC-цепями.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная науч-но-тсхннчсскаи проблема создания теории моделирования антенно-фидерных устройств линейными LC-цепями и разработки на этой основе новых методов проектирования АФУ и новых технических решений с целью дальнейшего совершенствования антенн и антенно-фидерных трактов систем связи и радиовещания ВЧ диапазона.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Вследствие актуальности предмета, по моделированию имеется большое количество работ (И.В. Бородулин, H.A. Гальченко, Д.Н. Закс, 3.1". Каганов, Б.Ю. Кашшевич, А.И. Самусенко, Б.В. Сестрорецкий, И.М. Те-тельбаум, Дж. Эпдрюс и др.). Так, например, в трудах Д.Д. Кловского рассматривается моделирование каналов связи на основе феноменологического подхода. Применительно к АФУ обычно осуществляют моделирование, основываясь на физической природе объектов.

Для численного решения задач электродинамики применяются методы, включающие дискретизацию: конечных разностей, конечных элементов, минимальных автономных блоков (В.В. Никольский). Эти мощные методы предназначены для анализа АФУ, тогда как моделирование LC-цепями позволяет осуществить и синтез АФУ на основе физически реализуемых элементов.

Представление линии передачи одномерной эквивалентной LC-цепью осуществлено еще в ранних работах С. Щелкунова, где были установлены соответствующие фазовые характеристики. Дальнейшее развитие исследований целесообразно применительно к задачам проектирования новых фидерных устройств, включая согласующие, и их элементов с использованием LC-цепей.

Двумерные LC-цепи - моделирующие сетки - применялись для аналогового решения задач, связанных с распространением волн в плоской среде (И.М. Тетельбаум, У. Каршпос, А.Д. Чудаков), однако учет специфики электромагнитных процессов, например, в ближней зоне антенн, в рамках этих моделей невозможен.

В работах A.JI. Бузова исследованы вопросы, связанные с использованием LC-сетки, но только в качестве днаграммообразующей схемы в составе изотропного схемно-просгранственного мультиплексора.

Представление элементов объема пространства LCR- и LCx-цепями разработано в трудах Б.В. Сестрорецкого и его соавторов. Однородное пространство внутри волновода моделировалось одинаковыми ячейками. Были приближенно определены фазовые погрешности в зависимости от отношения стороны ячейки к длине волны при условии малости погрешностей.

Задача синтеза на основе LC-сеток фазирующих устройств для многолучевых антенн, являющихся аналогами линз из неоднородного диэлектрика, указанными авторами не ставилась, и исследования, необходимые для разработки методики проектирования таких устройств, не проводились.

До сих пор не было попыток использования моделирования проволочных антенн LC-цепями с целью расчета этих антенн. Применялось моделирование линией передачи вибраторных антенн (Г.З. Айзенберг, С.Щелкунов и др.), причем удовлетворительная точность достигалась для электрически коротких тонких вибраторов (распределение тока близко к треугольному). Современные методы расчета проволочных антенн основаны на применении интегральных уравнений, в результате решения которых находится распределение тока (В.А. Стрижков, Р. Митра, С.И. Эминов, Ю.В. Пименов, A.B. Рунов, М.В. Корнилов, М.А. Леонтович, Е.И. Нефедов, Ю.Ю. Радциг, В.И. Селин и др.). Численное решение интегрального уравнения с точным ядром или с простым ядром для полных областей не универсально, т.к. эффективность резко снижается при сложных конфигурациях проводов и значительных различиях их радиусов. Использование частичных областей при простом ядре, в частности, с кусочно-постоянным базисом, позволяет снять это ограничение, но достигаемая при этом точность решения обычно недостаточна для расчета входных сопротивлений. Кроме того, не обеспечивается расчет в широком диапазоне радиусов проводов и при сильно отличающихся радиусах. Представляется перспективным применить моделирование проволочной системы эквивалентной цепью, обоб-

щенной в смысле учета запаздывающих взаимных связей между ее элементами.

Таким образом, в настоящее время, с одной стороны, отсутствует достаточно полная теория моделирования антенно-фидерных устройств IX-цепями, а с другой стороны, существует настоятельная необходимость ее создания, в том числе, как основы для совершенствования методов расчета и проектирования АФУ.

Цель работы - разработка теории моделирования антенно-фидерных устройств ЬС-цепями, методов и методик проектирования антенно-фидерных устройств и их составных частей; создание на этой основе сверхширокополосных фазирующих устройств для антенных решеток, проволочных антенн, новых типов перестраиваемых и неперестраиваемых согласующих устройств.

Программа исследований

1. Разработка теории моделирования антенно-фидерных устройств линейными ЬС-цепями. Разработка принципов моделирования антенно-фидерных устройств. Моделирование сплошной среды двумерными IX-цепями. Моделирование неоднородной линии передачи одномерной IX-цепью. Моделирование произвольных проволочных структур обобщенными ЬС-цепями.

2. Разработка метода проектирования фазирующих устройств в виде 1Х-сеток для антенных решеток. Проектирование фазирующих устройств для кольцевых антенных решеток. Проектирование фазирующих устройств для конформных антенных решеток. Разработка методики проектирования малогабаритных антенн на основе представления в виде соединения контуров с разными резонансными частотами.

3. Разработка методов проектирования согласующих устройств с использованием моделирования ЬС-цепями. Проектирование перестраиваемых согласующих устройств. Проектирование неперестраиваемых согласующих устройств.

4. Техническая реализация сверхширокополосных фазирующих устройств антенных решеток для ВЧ-радиосвязи. Техническая реализация кольцевой антенной решетки с IX-сеткой для ВЧ-радиосвязи. Управление диаграммами направленности кольцевой антенной решетки с ЬС-сеткой в

горизонтальной и вертикальной плоскостях. Подавление сосредоточешплх помех в многолучевой антенной решетке с ЬС-сеткой.

5. Разработка вопросов технической реализации элементов согласующих устройств и малогабарштшх антенн для радиовещания и радиосвязи ВЧ-диапазона. Техническая реализация мощных бесконтактных вариометров, перестраиваемых бесконтактных резонаторов, элементов непере-страиваемых согласующих устройств.

Методы исследования: математическое и физическое моделирование, аналитический аппарат электродинамики, элементы теории линейных электрических цепей, численные методы расчета и анализа, численные методы оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана теория моделирования антенно-фидерных устройств линейными 1С- цепями с потерями. Разработаны принципы моделирования АФУ как сложной пространственной структуры обобщенными ЬС-цепями. Разработаны научные основы для физического моделирования линзовых антенн из неоднородного диэлектрика двумерными ЬС-цепями.

2. Предложен и разработан метод расчета проволочных антенн на основе моделирования произвольных проволочных структур обобщенными ЬС-цепями.

3. Разработан метод проектирования нового класса фазирующих устройств для антенных решеток в виде ЬС-сеток, включал проектирование фазирующих устройств для кольцевых и конформных антенных решеток.

4. Разработаны методы проектирования новых перестраиваемых и неперестраиваемых согласующих устройств и малогабаритных антенн, полученных путем моделирования одномерными ЬС-цепями.

5. Разработана методика проектирования малогабаритных антенн на основе их представления в виде соединения контуров с разными резонансными частотами.

Практическая ценность

1. Разработанная в диссертации теория моделирования антенно-фидерных устройств ЬС-цепями позволяет существенно расширить круг практических задач, решаемых на основе подобного моделирования.

2. На основе теории создан новый класс сверхширокополосных фазирующих устройств для антенных решеток; разработаны новые технические решения, на которые получены патенты и авторские свидетельства.

3. На основе теории получены новые технические решения перестраиваемых (в том числе автоматически) и неперестраиваемых согласующих устройств, на которые получены патенты и авторские свидетельства.

4. На основе теории получены новые технические решения малогабаритных антенн, получены патент и авторское свидетельство.

5. Разработаны новые технические решения элементов согласующих устройств, на которые получены патенты и авторские свидетельства.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы для создания эффективных многолучевых антенных решеток для коротковолновой радиосвязи, для создания согласующих устройств, контурных систем коротковолновых передатчиков и малогабаритных коротковолновых антенн гражданского и специального назначения. Эти устройства находятся в эксплуатации на ряде предприятий различных служб и ведомств.

Метод расчета проволочных антенн используется СОНИИР в ходе разработок новых антенно-фидерных устройств разных диапазонов волн.

Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.

^Апробация результатов работы и публикации

Основные положения и результаты работы докладывались на секции антенно-фидерных устройств НИИ Радио (декабрь 1983 г. и октябрь 1987 г.), на НТС Министерства связи СССР (апрель 1984 г. и декабрь 1987 г.), на научно-технических конференциях по антеннам и фидерным трактам для радиосвязи, радиовещания и телевидения (Москва, апрель 1971 г., декабрь 1973 г.), на научно-технических семинарах НТОРЭС им. A.C. Попова "Ангенно-фидерные тракты и СВЧ-компоненты систем связи" (Фрунзе, октябрь 1986 г.) и "Функциональные электродинамические системы и элементы" (Саратов, ноябрь 1988 г.), на научно-технических семинарах Всесоюзной школы "Автоматизированные системы декаметровой радиосвязи" (Ленинград, декабрь 1984 г., Москва, ноябрь 1986 г., Куйбышев, ноябрь 1988 г.), на семинаре "Антенные развязывающие устройства" (Севастополь, июнь

1985 г., ноябрь 1986 г.), на научно-технических конференциях Куйбышевского отделения НТОРЭС им. A.C. Попова (апрель 1970 г., апрель 1971 г., апрель 1974 г., апрель 1980 г.), на научно-технической конференции ПОР-1 (Москва, май 1988 г.), на Всесоюзном научно-методическом семинаре высшей школы по прикладной электродинамике (Москва, МЭИ, май 1988 г.), Производственно-техническом семинаре "Перспективы развития технических средств радиотелевизионного вещания в XIII и XIV пятилетках (Миасс, 1990), XXVII Научно-технической конференции "Теория и техника антенн" (Москва, 1994 г.), Российской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ПИИРС (Самара, 1996 г.), 4-ой Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, май 1998 г.). Результаты диссертационных исследований опубликованы в двух монографиях, изданных центральным издательством, 31 статье в научно-технических журналах, 4 публикациях в виде тезисов докладов, 3 публикациях в форме экспресс-информации, методическом документе. На новые технические решения получены 18 патентов и авторских свидетельств.

По тематике, связанной с направлением диссертационного исследования, под научным руководством автора успешно защищены три кандидатские диссертации.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 211 страниц машинописного текста, 135 страниц рисунков и таблиц. Список литературы содержит 252 наименования.

На защиту выносятся:

1. Принципы моделирования АФУ как сложной пространственной структуры обобщенными LC-цепями.

2. Соотношения для моделирования сплошной неоднородной среды LC-сетками.

3. Метод расчета проволочных антенно-фидерных устройств на основе моделирования обобщенными LC-цепями.

4. Метод проектирования фазирующих устройств в виде ЬС-сеток для антенных решеток и результаты их реализации, включая новые технические решения.

5. Методы проектирования перестраиваемых и неперестраиваемых согласующих устройств на основе моделирования ЬС-цепями и результаты их реализации, включая новые технические решения.

6. Методика проектирования малогабаритных антенн на основе моделирования IX-цепями и результаты их реализации, включая новые технические решения.

7. Результаты разработки и технической реализации мощных бесконтактных вариометров и резонаторов, включая новые технические решения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Раздел 1 посвящен разработке теории моделирования аитенно-фидерных устройств линейными 1Х-цепями.

Разработаны принципы моделирования АФУ как сложной пространственной структуры обобщенными ЬС-цепями. Определены основные понятия, сформулированы основные задачи моделирования, введено ограничение на тип моделируемого АФУ (линейные взаимные устройства). Проведена классификация моделируемых АФУ по признаку принадлежности соответствующей электродинамической задачи к классу внешних или внутренних задач (выделено 2 класса: неэкранированные и экранированные АФУ) и по цели моделирования (исследование АФУ или его реализация в цепном исполнении). Дана характеристика классов АФУ.

Введено понятие обобщенной линейной ЬС-цепи, обеспечивающей учет запаздывающего по фазе взаимодействия между различными элементами цепи. Это взаимодействие описывается двухполюсными элементами -обобщенными импедансами и адмитансами. Обобщенные импедансы обусловливают взаимодействие ветвей: в каждой ветви появляются ЭДС, наве-

и

денные токами в остальных ветвях. Обобщенные адмитансы обусловливают взаимодействие узлов: в каждом узле нарушается баланс токов, так, как если бы в него «втекали» токи, обусловленные узловыми напряжениями в других узлах и адмитансными связями.

Установлен физический смысл обобщенных элементов. При низких частотах, когда фазовыми задержками можно пренебречь, они вырождаются во взаимные индуктивности между ветвями (импедансы) и в емкости между узлами (адмитансы). В общем случае н те, и другие обладают потерями. На достаточно высоких частотах обобщенные импедансы описывают взаимодействие элементов цепи по составляющей электрического поля, обусловленной векторным потенциалом, обобщенные адмитансы - по составляющей поля - градиенту скалярного потенциала. Показано, что «обычные» элементы цепи, в сущности, представляют собой вырожденный случай обобщенных элементов. Это позволяет анализировать цепь на единой методологической основе и делает такой подход к моделированию универсальным. Обосновано, что введение обобщенных элементов придает линейной цепи дополнительные свойства, позволяющие в целостной цепной модели отобразить все многообразие электромагнитных явлений.

Разработаны принципы моделирования неэкранированных АФУ. Наиболее типичный случай таких АФУ - проволочные структуры или сводимые к ним системы металлических тел. Основой моделирующей цепи при этом является цепь, повторяющая конфигурацию проводников (в том числе гальванические контакты); ветви и узлы в ней образуются разбиением проводников на короткие участки. Затем вводятся обобщенные элементы, связывающие участки проводов (ветви и узлы цепи).

В отличие от решения внешней задачи методом интегрального уравнения, системой кусочно-постоянных функций в данном случае аппроксимируется не только распределение тока, но и распределение заряда, что повышает точность расчетов.

Разработаны принципы моделирования экранированных АФУ. Цепь строится в виде сетки с электрически малыми ячейками и моделирует среду, а электрические режимы в ней моделируют поле в этой среде. Это соответствует конечно-разностной аппроксимации волновых уравнений. Показано, что только обобщенная цепь позволяет моделировать электромагнитное поле с вихревыми составляющими. При моделировании линейно-поляризованного поля, когда векторное волновое уравнение записывается

только для одной компоненты (т.е. вырождается в скалярное, как в случае потенциального поля), обобщенная цепь переходит в «обычную» ЬС-цепь (ЬС-сетку). Такое физическое моделирование позволяет использовать принципы действия некоторых СВЧ устройств на значительно более низких частотах.

Разработан метод моделирования сплошной среды, являющейся плоским (2-мерным) каналом распространения линейно-поляризованных электромагнитных волн двумерными ЬС-сетками. Получены наиболее общие соотношения для импедансов ветвей Ъ^ (1, к - номера узлов, соединенных ветвыо) и адмитансов узлов У; сетки с квадратными ячейками ЬхЬ:

Ур (шЬ/а) ЦЯе(Е|) + 1т(е01; Зк= (еЖа/2) [ +щ<) + 1т(ц,+цк)] (1)

где со - круговая частота; ц„ г, - значения комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей среды в точке, соответствующей 1-му узлу.

Проведено исследование бесконечно протяженной ЬС-сетки с ячейками различной формы при распространении плоских волн. Определены условия согласования прямоугольных ячеек а|Ха2 (рис.1) между собой и обеспечения требуемого погонного фазового сдвига Ф в направлениях сторон ячеек. Получены соотношения для емкостей и индуктивностей:

Сэ=(Ф/у0)Ва,а2, Ь,={Ф/(УоВ)}(а,/а2), Ь2={Ф/(у0В)}(а2/а,), (2)

где В - волновая проводимость на единицу протяженности сетки в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны; у0 - скорость света в вакууме. Аналогичные соотношения получены для ячеек в форме равнобедренных треугольников. Определены условия согласования стыков участков сетки с ячейками различной формы. Исследованы зависимости фазового сдвига

Рис.1

ячейки от частоты и направления распространения. Показано, что при низких частотах при соблюдении полученных соотношений между величинами ЬС-элементов и сторонами ячеек ЬС-сетка изотропна (нечувствительна к направлению распространения) и обеспечивает линейную фазочастотную характеристику. Это означает сходимость процесса моделирования при уменьшении размеров ячейки и увеличении их числа. Получены соотношения, позволяющие выбрать размеры ячеек и их форму для конкретных требований.

Проведено исследование ЬС-сеток с конечными размерами. Рассмотрены вопросы согласования края сетки - во внешних узлах, к которым подключаются нагрузки, и вопросы согласования сетки по входу - во внут-регашх узлах, к которым подключаются генераторы. На основе численных расчетов показано, что согласование может быть обеспечено применением простых (одно- или двухэлементных) согласующих цепей.

Проведено сопоставление свойств ЬС-сетки и плоской среды для расходящихся волн. Распределение полей в среде описывалось посредством функций Ханкеля. При построении сетки использовались полученные ранее соотношения для плоских волн. В результате проведенного исследования установлено, что свойства сетки и среды как по амплитудно-фазовым распределениям на выходах, так и по согласованию, совпадают в достаточной степени, так что при проектировании устройств с ЬС-сетками можно использовать соотношения для сплошной среды совместно с полученными соотношениями для плоских волн в неограниченной сетке.

Разработан метод моделирования направляющей структуры одномерной ЬС-цепью. Обосновано представление направляющей структуры в виде одномерной неперестраиваемой ЬС-цепи. Показано значительное сокращение времени счета при моделировании, что может оказаться существенным при решении задач оптимизации. Исследованы особенности моделирования направляющей структуры перестраиваемой ЬС-цеиыо. Сформулированы основные принципы построения таких цепей.

Обоснованы принципы моделирования произвольных проволочных структур обобщенной цепыо. Разработан метод расчета прямолинейных проволочных антенн на основе их моделирования обобщенными ЬС-цепями. Построение цепи для прямолинейного проводника показано на рис.2. Обобщенные импедансы (при взаимодействии разных участков условно показанные дугами) определяются выражением:

it

Zlk = jcon (4л:)'1 [ J Jexp(-jkR) R"1 ds dt d(p, (3)

о /¡4

где s, t и ф - координаты, отсчитываемые вдоль /¡, /ь и азимут в цилиндрической системе, согласованной с проводом, соответственно; R - расстояние между точками на /, и на 4; к - волновое число.

Обобщенные адмитансы определяются соотношениями:

n

Y„=ZBik, Ylk = -Blk, (4)

k=l

где N - число узлов; Bjk - элементы матрицы [В], обратной матрице [Р], элементы которой Plk определяются соотношением:

%

Pik = - (4лесо/,4)-1 {{}exp(-jkR) R'1 ds dt dtp. (5)

0 /¡4

При этом учитывается распределение тока и заряда по поверхности провода.

Для вычисления интегралов по /¡, 4 получены замкнутые выражения. Интегрирование по ф выполняется численно. Анализ цепи выполняется методами теории цепей (например, методом узловых потенциалов).

Данный метод обобщен на случай произвольной конфигурации проводников. Получены соответствующие расчетные соотношения для обобщенных элементов, отличающихся от приведенных, в частности, двойным итерированием по (р. На основе численных расчетов определены условия, при которых можно исключить численное интегрирование.

Приведены результаты расчетов данным методом для известных случаев и дано их сравнение с известными результатами, свидетельствующее о высокой эффективности метода.

Раздел 2 посвящен разработке методов проектирования и новых технических решений фазирующих устройств и малогабаритных антенн.

На основе анализа современных тенденций развития систем дека-метровой связи установлены основные требования к антеннам (малогаба-ритность, широкополосность, одновременная работа несколькими управляемыми лучами, быстроразворачиваемые исполнения) и фазирующим устройствам (широкополосность, возможность изменения азимутов и углов места лучей и организации дополнительных лучей, простота конструкции, настройки и эксплуатации).

На основе результатов раздела 1 уточнены соответствующие требования к структуре фазирующего устройства (ФУ), представляющего собой плоскую ограниченную LC-сетку с нагруженными краями. Необходимое амплитудно-фазовое распределение создается выбором мест подключения передатчиков или приемников к сетке и величин задержек сигналов.

Разработан метод проектирования ФУ в виде LC-сеток для кольцевых антенных решеток (КАР) на основе физического моделирования линзовых антенн-прототипов. Необходимые для синтеза длины электрических путей в прототипе определяются на основе численного интегрирования уравнений эйконала путем вычисления кривизны луча в i-й точке:

кривизна: %¡ = S°¡ х (grad N х S°¡) / N, (6)

радиус-вектор: R¡+1 = R¡ + S°i+i • d, (7)

эйконал: L¡+1 = L¡ + N-d. (8)

В точке, соответствующей координатам радиуса-вектора RiH , определяются значения коэффициента преломления N, его градиента, кривизны луча, направления луча, нового радиуса-вектора и т.д.

В частности, для двумерной системы с центральной симметрией в полярных координатах (р,ср):

ф;+1 = oti+j + arctg [tg ((Pi-ctí+i) - d/R¡+1]; piH = Ri+i / eos (cpi+i-a¡+,)

cti+i = ocí + y¡; Yi = d- (9N/3p) sin (jt/2+а,—фг) / N (9)

Rj+i = P¡ eos («Pí-Oí+i); L¡+i = L¡ + Nd

Для оценки точности данного способа был произведен расчет эйконала в модифицированной линзе Люнеберга (коэффициент преломления

№г-(1+р2, - р2)ш/ рО. Показано, что описанный подход позволяет произвести вычисления с достаточной для практических целей точностью при небольших затратах машинного времени.

Применение метода проиллюстрировано на примере синтеза ФУ КАР с точным фазированием переднего полукольца (рис.3). Прототип - цилиндрическая модифицированная линза Люнеберга с облучателем внутри линзы (Ы=М0[ 1 +(г0/г,)2-(г/г0)2] "2, N0 - коэффициент преломления окружающей среды; г0 - радиус линзы, Г! - расстояние от центра линзы до фокуса). Тогда

Ус (ЬС)Ш / / = Vо (ЬнарСнар)"2 / /„ар [1 + (Нф^)2 ~ (^Л"2 (10)

Здесь Ь, С, I - индуктивность, емкость и длина стороны ячейки, удаленной на расстояние Л от центра ФУ; Ьнар, С11ар, /нар - то же для наружной ячейки; Кфу - радиус ФУ. Соотношение между индуктивностями и емкостями ячеек выбирается в соответствии с результатами раздела 1. Облучатели линзы моделируются искусственными линиями (поз.2 на рис.3) Участок сетки с

В результате структурной оптимизации прототипа по критерию максимальной точности фазирования заднего полукольца КАР получено ФУ (LC - сетка), у которого

®(R)=Vo(LC)1/2//=v0Ricp/(vR^y) arctg-'tR./R^) [1+ (R/R^)2]"1 (И)

Здесь R, - расстояние от центра ФУ до точки подключения приемника или передатчика (фокусное расстояние эквивалентной линзы); v - скорость распространения волн в среде, где расположена КАР.

Схема антенны показана на рис.5. Здесь Г11...Г1К. - приемники (передатчики). В данном случае обеспечивается точное фазирование переднего, заднего, крайнего правого и крайнего левого вибраторов. Действительно, электрические длины соответствующих четырех путей, с точностью до константы, составляют:

Еа=Ера; EB=EPB+2RKp(v0/v) Ес= Ед = ЕРС + RK-p (v0/v) (12)

где ЕрЛ, Ерв, Ере - электрические длины путей в сетке от точки подключения передатчика (приемника) до соответствующей точки на краю фазирующего устройства:

Ri

Ера ^ j (W) dR + Ырц -

=V(/VRKp+ Ер^д .

Кфу

Ерв = JФ(Я) dR = V0 / V Rjp [тс/4 arctg-'CR,/^) - 1 ] (13)

R,

R<i>y

Epc = Ердд = |®(R) dR = (V0 / V) (tc/4) RKp arctg-'CR./R^), 0

При этом:

Ea = Ев = Ec = V0 / V RKp [Tt/4 arctg-^Ri/R^) + 1] + const (14)

Для остальных точек окружности ФУ электрические длины соответствующих им путей находятся численно. На рис.б показана зависимость погрешности фазирования, выраженной в долях радиуса антенной решетки, от угловой координаты соответствующей точки на окружности ФУ. По сравне-

нию с вариантом без структурной оптимизации максимальная погрешность фазирования снизилась почти втрое без увеличения сложности ЬС— сетки.

Л, %

Разработаны методика и алгоритм параметрической оптимизации круглого ФУ по критерию максимальной точности фазирования заднего полукольца КАР. Методика основана на численной оптимизации с вычислением длин электрических путей моделированием хода лучей в среде, имитирующей LC-сетку, для всего круга 0<R<R,|,y. Целевая функция:

п

Xd-coscp.-E^E,)2 (15)

i-I

где п - количество лучей; ср, - полярный угол точки пересечения соответствующего луча с окружностью, Е, - электрические длины путей соответствующих лучей (ф! = 0, (р„ = 7i).

В результате оптимизации достигнуто существенное уменьшение ошибки фазирования при незначительных изменениях Ерад, т.е. сложность устройства практически не изменяется.

Рассмотрены вопросы управления диаграммой направленности в вертикальной плоскости КАР с ФУ в виде LC-сетки. Для этого в ФУ, кроме клемм, расположенных на расстоянии Ri от центра, вводятся дополнительные клеммы на расстояниях RN от центра (N = 2, 3, 4,...):

Rn / R^ tg {tiRkp cos Sn / [пячУ (L0C0)1/2]} (16)

где - требуемый угол места максимума диа1раммы направленности антенной решетки; Ц, С.0 - индуктивность и емкость ячейки при II = К,[,у, пяч - число ячеек по окружности IX - сетки.

Показано, что при этом обеспечивается точное фазирование для угла 5М переднего, заднего, крайнего правого и крайнего левого вибраторов, причем при различных значениях угла места, в зависимости от расстояния между центром сетки и точкой возбуждения.

На основе аналогичных подходов проанализировать особенности проектирования ФУ в виде ЬС-сеток для конформных решеток и разработаны методики их проектирования для эллиптических, линейных, а также плоских сканирующих антенных решеток произвольной конфигурации.

Разработана методика проектирования малогабаритных антенн на основе их представления в виде соединения контуров с разными резонансными частотами. При параллельном соединении контуров можно подобрать их параметры так, что активная проводимость меняется незначительно, а реактивная - мала в достаточно широкой полосе частот. Для малых антенн, состоящих из параллельно соединенных вибраторов разной длины, такой подход позволит получить согласование в сплошном диапазоне частот. Показано, что вибраторы должны быть подобными геометрическими фигурами, идентично расположенными друг относительно друга, а отношение резонансных частот (т.е. длин) - постоянной величиной. На рис.7 приведены характеристики такой антенны (КБВ рассчитан относительно 100 Ом).

КБВ Я 1,0

0,75

0,5

0,25

0

,Х, Ом

1чп кбв / /

100 V ч 1 ____/

/ 1

А x

к / V 30 ^мгц

-50 V V

-100

Рис.7

Максимальные размеры подобной антенны существенно меньше, чем, например, у антенны с реактивными вставками.

В разделе 3 рассмотрены методы проектирования и новые технические решения мощных согласующих устройств.

Разработан метод проектирования мощных перестраиваемых согласующих устройств (СУ). В результате подхода к синтезу схемы СУ как цепи, моделирующей некоторую направляющую структуру, получено новое техническое решение, заключающееся в добавлении к схеме дополнительных неперестраиваемых элементов - индуктивностей в случае П-контура и емкостей СЛ в случае Т-контура (рис.8), что эквивалентно снижению остаточных индуктивностей вариометров и емкостей переменных конденсаторов. Это позволяет расширить частотный диапазон СУ в сторону высоких частот без наращивания числа звеньев, т.е. без увеличения числа конструктивно сложных, массивных и дорогостоящих перестраиваемых элементов.

о-Л^П , Г^ГI__ГУ~Г\_о о—-—-

и

тс„

#

Си

Рис.8

Получены формулы для расчета номиналов дополнительных элементов, при которых обеспечивается наибольшее эквивалентное снижение остаточного номинала перестраиваемого элемента на некоторой частоте Гт:

и = \У / (2п(т), Са = 1 / (2п{т \У), (17)

где - волновое сопротивление входного (выходного) фидера.

Па основе численных расчетов получены рекомендации относительно выбора частоты - примерно на 20% меньше верхней граничной частоты рабочего диапазона СУ.

Для реализации дополнительных элементов в виде отрезков линий получены аналогичные соотношения, связывающие длины /с1 отрезков с волновыми сопротивлениями V/,} (для П- и Т-контуров, соответственно):

1й = К (2*)-' аг^ (\У / , /„=*„, (27т)-' а㫧 ^ / V/). (18)

Показано, что полученные расчетные соотношения для дополнительных элементов в случае двухзвенной схемы будут такими же.

Разработаны методики синтеза одно- и двухзвенных схем СУ на основе численного моделирования процесса настройки схемы на основе оптимизации по критерию, учитывающему уровень согласовашш, фильтрацию гармоник и электрические режимы элементов. Одновременно осуществляется синтез алгоритма настройки автоматических перестраиваемых СУ.

На рис.9 представлены результаты численного моделирования для СУ по схеме П-контура с волновыми сопротивлениями фидеров 120 Ом, остаточными индуктивностью 1,1 мкГ и емкостью 50 пФ. Сплошными линиями показан модуль входного коэффициента отражения |Р|, пунктирными - наибольший ток конденсаторов I (наихудшие значения при КБ В нагрузки 0,6 для различных значений дополнительных индуктивностей).

Рис.9

Выполнен синтез алгоритмов настройки и рассмотрены особенности проектирования автоматических перестраиваемых согласующих и со-гласующе-фильтрующих устройств. Показано, что при отсутствия требований к фильтрации наиболее подходящий алгоритм настройки - экстремальное регулирование с целевой функцией в виде коэффициента отражения или КБВ на основе шагового координатного метода Гаусса-Зайделя.

Разработан алгоритм автоматической настройки, учитывающий дополнительные требования к фильтрации и к электрическим режимам,"включающий предварительную настройку по критерию согласования, фильтра-

ции и режимов элементов (метод скорейшего спуска) и окончательную -путем шаговой координатной оптимизации по критерию согласования.

Разработаны схемы автоматических СУ, включающие измерители падающих и отраженных волн, а также измерители импеданса. Предложена и разработана схема измерителя импеданса для предварительной настройки, в которой, в отличие от известных (например, импедометр Парцена), в более широкой полосе частот обеспечивается пропорциональность между сигналами измерителей напряжения и амплитуд волн. Погрешность измерений данной схемы не превышает 10%.

Разработан метод проектирования неперестраиваемых СУ. Предложено техническое решение и разработана методика проектирования многочастотных СУ в виде систем сосредоточенных неоднородностей на антенных фидерах. Будучи весьма простыми по конструкции, такие устройства, в отличие от известных схем на основе комбинированных шлейфов, позволяют настраивать антенный фидер более, чем на 2-х частотах, поскольку ряд малых неоднородностей, равномерно распределенных вдоль фидера, отражает в узких полосах частот и слабо влияет в остальной части диапазона.

Получены соотношения для расчета емкостей С рамок (емкостных неоднородностей) и ширины полосы настройки 2 А Г:

С= (к^у'[ ¡Р^а- 1Р1|2У,Й- И2)'1'2], 2А£= Ыо/даЛ), (19)

где й - средняя частота настройки; N - число рамок; |Р2| и |РД0П| - модули коэффициентов отражения: исходного (на входе антенны), требуемого на частоте ^ и допустимого в полосе настройки, соответственно. На основе численных расчетов определено число рамок N в зависимости от разницы частот настройки.

Разработана методика проектирования пеперестраиваемых устройств компенсации локальных отражений (например, в тракте антенного переключателя). Приведены результаты расчетов и экспериментальных исследований таких устройств совместно с переключателями некоторых типов, показывающие, что, благодаря компенсации, собственный КБВ переключателей может быть повышен от 0,4.. .0,7 до 0,9.. .0,95.

Разработаны методики проектирования элементов мощных согласующих устройств. Обоснованы принципы построения бесконтактных вариометров, в которых регулировка индуктивности происходит за счет взаи-

модействия катушки с системой короткозамнутых витков. Разработана методика расчета индуктивности вариометров данного типа. Приведены результата расчета и измерения индуктивности, свидетельствующие о достаточной точности методики. Рассмотрены особенности применения методик для проектирования различных конструктивных исполнений таких вариометров: на основе однослойной катушки, плоской спирали, плоской концет-рической катушки.

Расчетно-экспериментальным методом выполнено проектирование малогабаритных элементов неперестраиваемых устройств.

Раздел 4 посвящен технической реализации сверхгаирокополосных фазирующих устройств антенных решеток и малогабаритных антенн для ВЧ радиосвязи.

На основе созданного автором метода проектирования, включая методики и результаты синтеза (раздел 2), разработана, реализована и успешно эксплуатируется приемная КАР ВЧ диапазона в стационарном и быстрораз-варачиваемом вариантах с ЪС-сеткой в качестве ФУ. КАР обеспечивает направленный прием в пределах 0-360° и позволила при относительно небольших размерах и повышении качества приема заменить собой комплект типовых слабонаправленных антенн типов ВГД, ВГДШ, УГД и др. практически не обладающих помехозащищенностью.

Схема приемной КАР представлена на рис.10. В состав антенны входят 32 активных вибратора (АВ), фазирующее устройство (ФУ), блок подавления помех (БПП) и блок дистанционного управления (БДУ). АВ установлены равномерно по окружности радиусом 16 м на высоте подвеса 3,5 м. ФУ имеет 16 выходов на 16 направлений связи. Выходы ФУ соединены с координатным ВЧ-коммутатором. Подавление сосредоточенных помех обеспечивает БПП, состоящий из аттенюаторов-фазовращателей, сумматора и координатного ВЧ-коммутатора.

Приемная КАР работает в двух режимах: на одно радиоприемное устройство РПУ с подавлением двух сосредоточенных по азимуту помех или одновременно на три РПУ без подавления помех. В последнем случае каждый приемник может работать на любой из 16 азимутов.

На рис. 11 приведен внешний вид ФУ со снятым кожухом.

Основные технические данные приемной КАР: диапазон рабочих

Рис. 10

Рис.11

частот 3-30 МГц; чувствительность (при соотношении сигнал/шум 10 дБ и ширине полосы принимаемого сигнала 9 кГц) 1,2 мкВ/м; КНД на частоте 3 МГц не менее 5, на частоте 30 МГц не менее 25; ширина луча ДН по уровню 0,7 в горизонтальной (вертикальной) плоскости при угле возвышения 45° на частоте 3 МГц не более 90° (50°), на частоте 30 МГц не более 25° (20°).

Быстроразворачиваемая приемная многолучевая КАР разработана с использованием вышеописанных ФУ в виде ЬС-сетки и АВ, обеспечивает возможность одновременного приема с нескольких направлений, имеет хорошую помехозащищенность, малые габариты и массу. Трудоемкость развертывания 2 чел.ч.

Сопоставление ДН (для расчетных и экспериментальных амплитудно-фазовых распределений) показало их хорошее совпадение. Полученная экспериментально глубина подавления мешающих сигналов составила 30 дБ относительно основного лепестка диаграммы направленности и 14...30 дБ относительно первоначального уровня помехи.

Рассмотрены вопросы технической реализации малогабаритных антенн для зоновой связи. На основе многовибраторного подхода разработана и реализована малоразмерная широкополосная антенна для применения в составе многолучевой антенной решетки на центральных станциях и в качестве передающей антенны для периферийных станций ВЧ зоновой радиосвязи. Расположение вибраторов антенны показано на рис.12. Такая геомет-

рия вибраторов позволила упростить конструкцию, обеспечить широкопо-лосность и практически устранить связь между ними (тл<. плоскости симметрии вибраторов взаимно перпендикулярны). Задача улучшения согласован!« в широком диапазоне частот в условиях близости земли решалась экспериментально-расчетным путем, включающим оптимизацию длин вибраторов и элементов корректирующих цепей по результатам измерения входного импеданса физической модели. В результате удалось обеспечить весьма широкий частотный диапазон практически без потерь мощности, при хорошем согласовании и весьма малых размерах: зарубежная антенна "Конифан", например, при тех же электрических характеристиках имеет отношение высоты опоры к максимальной длине волны вдвое больше. Рис. 12

Раздел 5 посвящен вопросам технической реализации элементов согласующих устройств для радиовещания и радиосвязи ВЧ диапазона.

Рассмотрены результаты технической реализации мощных бесконтактных вариометров новых типов с широкими пределами регулировки индуктивности. Реализованы новые технические решения мощных бесконтактных вариометров в виде плоской спирали, однослойной катушки, расходящихся проводников, как элементов согласующих и фильтрующих устройств ВЧ диапазона.

Вариометр, реализованный на основе катушки в виде плоской спирали, с витками в форме окружностей показан на рис.13. Измеренная собственная емкость вариометра 4,4...4,5 пФ. Расчетная величина максимальной индуктивности 3,7 мкГ (измеренная 3,72 мкГ). Расчетная величина минимальной индуктивности 0,35 мкГ (измеренная 0,38 мкГ). Следует отметить достаточно высокие вариацию (порядка 10) и добротность, хорошую линейность зависимости индуктивности от смещения подвижного элемента.

Конструкцию вариометра в виде расходящихся проводников («Веер») можно применять при весьма больших мощностях и высоких частотах (рис.14).

Рис.13 Рис.14

Вариометр состоит из короткозамкнутых линий, соединенных параллельно, расстояние между линиями может изменяться.

В таблице приведены экспериментальные данные для вариометра из 17 линий длиной 40 см, ширина проводников 20 мм, толщина 1 мм, "просвет" 20 мм. Частота измерения 30 МГц.

Угол раскрыва, град. 0 60 90 135 180 270

Реакт. сопротивл., Ом 38 14 12 10,2 9,0 8,2

Индуктивность, мкГ 0,201 0,075 0,064 0,054 0,048 0,044

В вариометре данного типа сближаются поверхности, которые почти эквипотенциальны, чем решается вопрос электрической прочности. Как и большинство устройств, выполненных на отрезках линий, этот вариометр практически не имеет ограничений по мощности на декаметровых волнах.

Осуществлена реализация новых бесконтактных вариометров с уменьшенными габаритами и металлоемкостью за счет замены поверхностей витков рядами проволок. Пример конструкции проволочного вариометра представлен на рис.15. При вращении ходовых винтов ромбовидные витки деформируются, обеспечивая изменение индуктивности от минимальной (ромб сильно вытянут) до максимальной (квадрат). При длине катушки 30 см, 11 витках, 11 проводниках в плоскости витка, расстоянии между центрами этих проводников 1 см, диаметре проводников 2 мм, длине

стороны ромба 25 см, максимальное значение индуктивности составило 8,9 мкГ, минимальное - 0,62 мкГ (вариация - 14,4 раза).

Разработаны и реализованы вариометры с пониженной минимальной индуктивностью.

Па рис.16 приведен внешний вид бесконтактного вариометра, включенного в состав П-контура оконечного каскада ВЧ передатчика мощностью 250 кВт, а на рис.17 - общий вид перестраиваемого 250-киловаттного согласующего устройства, выполненного на аналогичных вариометрах.

Рис.16 Рис.17

На аналогичной конструктивной основе реализованы и новые технические решения бесконтактных перестраиваемых резонаторов.

На базе методики проектирования и соответствующих новых технических решений, разработанных в разделе 3, выполнены разработка, практическая реализация и широкое внедрение неперестраиваемых многочастотных согласующих устройств в виде системы реактивных рамок, включаемых в антенный фидер ВЧ передатчика.

Устройство обеспечивает неоперативную (при смене волнового расписания) настройку антенного фидера ВЧ радиопередатчика мощностью до 250 кВт на бегущую волну и позволяет выполнить независимую настройку на нескольких частотах.

Применение устройства особенно эффективно при настройке фидера на 2...6 частотах, отстоящих друг от друга на 10 % и более, при настройке на одной частоте с сохранением прежнего КБВ на остальных частотах и для увеличения КБВ в пределах вещательных диапазонов двух- или четырехэтажных антенн типов СГДРА или СГДРАД. Устройство позволяет повысить КБВ на частотах настройки от значений порядка 0,3 до значений 0,8.. .0,9. Для размещения устройства необходим участок антенного фидера протяженностью 2...3 длины волны. Комплект поставки устройства содержит набор рамок четырех типов, по семь номеров (размеров) в составе каждого типа. В составе эксплуатационной документации имеются графики и номограммы для предварительного выбора размеров и ориентировочного количества рамок и детальная инструкция по точной настройке.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы:

1. Разработана теория моделирования антенно-фидерных устройств линейными ЬС-цепями с потерями. Разработаны принципы моделирования АФУ как сложной пространственной структуры обобщенными ЬС-цепями. Разработан метод физического моделирования среды ЬС-сетками. Проведены исследования ЬС-сеток: определены условия изотропии и согласования для ячеек разного размера и формы, определены условия согласования края сетки, исследованы дисперсия и анизотропия фазовых сдвигов в диапазоне частот для ячеек различной формы. Получены соотношения для входного сопротивления сеток. Рассмотрено представление направляющей структуры в виде одномерной неперестраиваемой ЬС-цепи. Рассмотрены особенности моделирования направляющей структуры перестраиваемой ЬС-цепью. Разработан метод расчета проволочных антенн путем моделирования произвольных проволочных структур обобщенной ЬС-цепью, обеспечивающий высокую точность расчета токов, потенциалов и входных сопротивлений для произвольных конфигураций и радиусов проводов.

2. Разработаны научные основы методов проектирования нового класса сверхширокополосных ФУ в виде ЬС-сеток для антенных решеток. На основе моделирования движения оптического луча в неоднородной среде предложен и разработан численный способ расчета задержки фаз в неоднородной круглой линзе-прототипе. Разработана методика синтеза ФУ в виде ЬС-сетки на основе линзовых антенн-прототипов. Проведена струк-

турная и параметрическая оптимизация ФУ по критерию максимальной точности фазирования заднего полукольца КАР. Показана возможность управления диаграммой направленности КЛР в горизонтальной и вертикальной плоскостях путем изменения точки подключения генератора (приемника) к ЬС-сетке, получены соответствующие расчетные соотношения. Показана возможность выполнения ФУ для эллиптических, линейных и плоских конформных сканирующих антенных решеток, получены соответствующие расчетные соотношения. Разработана методика проектирования малогабаритных антенн на основе представления в виде соединения контуров с разными резонансными частотами. На основе теоретических разработок созданы новые технические решения, на которые получены патенты и авторские свидетельства.

3. На основе представления направляющей структуры одномерной ЬС-цепыо разработаны методы проектирования и новые технические решения мощных согласующих устройств. Предложен и разработан метод исследования и проектирования перестраиваемых согласующих устройств на основе моделирования процесса настройки. Предложен и разработан алгоритм настройки перестраиваемых согласующих и согласующе-фильтругащих устройств, включающий предварительную (по результатам измерения входного сопротивления) и последующую точную настройку. Показана возможность расширения частотного диапазона перестраиваемых согласующих цепей в области высоких частот путем добавления непере-страивасмых элементов. Получены соответствующие расчетные соотношения. Разработана методика проектирования многочастотных неперестраи-ваемых согласующих устройств в виде системы сосредоточенных неодно-родностей в антенном фидере. Рассмотрено проектирование устройств компенсации локальных отражений на основе ЬС-элементов; показана их эффективность для расширения частотного диапазона антенных переключателей. Предложена методика расчета индуктивности проводов произвольного сечения, расположенных вблизи металлических поверхностей. На этой основе сформулированы принципы построения и разработана методика расчета элементов перестраиваемой согласующей цепи - мощных бесконтактных вариометров. На основе теоретических разработок предложены технические решения, на которые получены патенты и авторские свидетельства.

4. Решены вопросы технической реализации сверхширокополосных фазирующих устройств антенных решеток для ВЧ-радиосвязи. Реализованы

сверхширокополосные многолучевые приемные ВЧ антенные решетки с фазирующими устройствами в виде ЬС-сеток в стационарном и быстрораз-ворачиваемом вариантах. Обеспечены управление диаграммами направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и возможности подавления сосредоточенных помех. Реализована приемо-нередающая малогабаритная антенна для зоновых связей. Предложена конструкция и произведена оптимизация широкополосной двухвибраторной антенны. Предложена конструкция компактного широкополосного симметрирующего устройства для этой антенны. Получены патент и авторское свидетельство.

5. Решены вопросы технической реализации элементов согласующих устройств для радиовещания и радиосвязи ВЧ-диапазона. Реализована серия мощных бесконтактных вариометров с широкими пределами регулировки индуктивности на элементах в виде плоской спирали, однослойной катушки, расходящихся проводников. Разработаны варианты вариометров уменьшенных габаритов и металлоемкости с элементами в виде системы проводов. Показана возможность снижения минимальной индуктивности вариометров путем выполнения их из широких гибких проводников. Реализованы мощные перестраиваемые бесконтактные резонаторы. Реализованы элементы многочастотных неперестраиваемых согласующих устройств в виде проволочных рамок, обеспечивающих простоту изготовления и удобство настройки. Предложен ряд технических решений, на которые получены патенты и авторские свидетельства.

Результаты диссертационной работы внедрены в производство и эксплуатацию. На приемные многолучевые антенные решетки с фазирующими устройствами разработана техническая документация, в соответствии с которой осуществлена поставка этих изделий потребителям. На многочастотные неперестраиваемые согласующие устройства была разработана методика настройки, утвержденная отраслевым управлением Министерства связи, в соответствии с которой эти устройства смонтированы эксплуатационным персоналом на ряде радиоцентров на территории России и СНГ. Такие же устройства включены в состав проекта, реализованного в Чехословакии. Разработаны и поставлены потребителям перестраиваемые согласующие устройства для фидерных трактов радиовещательных передатчиков. Элементы согласующих цепей в виде ЬС-ячеек использованы в составе антенных переключателей, на которые была выпущена конструкторская документация для серийного выпуска. Переключатели поставлены заводом-

изготовителем на ряд предприятий на территории России, стран СНГ и зарубежных стран (Румыния, Болгария, Куба). Мощные бесконтактные вариометры эксплуатируются в составе согласующих устройств и контурных систем диапазонных ВЧ передатчиков. IIa малогабаритные широкополосные приемо-передагощие антенны разработана проектная документация, в соответствии с которой 12 таких антенн эксплуатируются на радиоцентрах системы связи Внутренних войск России. Методы расчета антенно-фидерных устройств с помощью обобщенных эквивалентных цепей используются в СОНИИР при выполнении ОКР и НИР по тематике антенно-фидерных устройств и электромагнитной экологии.

Диссертационная работа в целом представляет собой теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение. Сформулированный общий подход к моделированию антенно-фидерных устройств LC-цепями позволил создать новый класс антенно-фидерных устройств - сверхширополосных фазирующих устройств в виде двумерных LC-цепей - и расширить класс антенно-фидерных устройств, реализуемых на основе одномерных LC-цепей. С другой стороны, этот подход позволил ввести понятие обобщенной цепи, на основании которого разработан метод расчета произвольных проволочных антенно-фидерных устройств, обеспечивающий высокую точность расчета в широком диапазоне изменения радиусов проводов и широком диапазоне частот.

Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом существенный положительный эффект подтверждены соответствующими актами.

В Приложении приводятся акты о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Казанский JI.C. О компенсации отражений, создаваемых в линиях емкостной неоднородностью // Сборник трудов ГосНИИ Минсвязи СССР. -Вып.1 (37), 1965 -С.22-28.

2. Казанский JI.C. Затухание экранированных линий некоторых специальных форм // Радиоэлектроника в народном хозяйстве СССР: материалы научно-технических конференций Куйбышевского электротехнического института связи и отделения НТОР и ЭС им. A.C. Попова. -Куйбышев, 1967.

3. Казанский Л.С. К проектированию зигзагообразных линий // Труды НИИР. -1968. -№ 3. -С.133-138.

4. Казанский Л.С. Определение коэффициента связи между линиями, заключенными в общий экран // Труды НИИР. -1969. -№ 3. -С.146-151.

5. Казанский Л.С. Направленная кольцевая схема // Труды НИИР. -1970. -№ 3. -С.135-136.

6. Казанский Л.С. Определение волновых сопротивлений линий передачи с помощью электролитической ванны. В сб. «радиоэлектроника в народном хозяйстве СССР», Куйбышев, 1971, с.125-131.

7. Казанский Л.С. Расчет индуктивности проводников произвольного сечения, расположенных вблизи замкнутых металлических поверхностей // Труды НИИР. -1971. -№ 3. -С.50-53.

8. Казанский Л.С. Настройка фидера на бегущую волну на нескольких частотах // III научно-техническая конференция по антеннам и фидерным трактам для радиосвязи, радиовещания и телевидения: Аннотация докл.-М., 1973. -С.5

9. Казанский Л.С., Каминер Е.Ц., Текучева Л.С. Развязывающие диапазонные соединители для подключения двух КВ передатчиков к общей антенне / Проектирование сооружений связи // Экспресс-информация. -М., ЦНТИ «Информ-связь», 1975. -Сер.РРТ. -№ 1 (17). -С.26-33.

10. Казанский Л.С., Нечаев А.Н. Расчет связанных линий // Труды НИИР. -1975. -№3.-С..50-53.

11. Казанский Л.С. Об улучшении направленности ответвителя на симметричных линиях // Проблемы радиофизики и радиоэлектроники / Куйбышевский Государственный университет. -Куйбышев, 1976. -С.124-129 .

12. Кузнецов В.Д., Казанский Л.С., Нечаев А.Н. Развязка между передатчиками в устройствах частотного уплотнения антенно-фидерного тракта // Электросвязь. -1976. -№ 2. -С.46-49.

13. Казанский Л.С., Текучева Л.С. Измерение асимметрии и КПД антенно-фидерных устройств // Электросвязь. -1977. -№ 7. -С.39-41.

14. Казанский Л.С., Настройка коротковолнового фидера на нескольких частотах/' Проектирование сооружений связи // Экспресс-информация. - М.: ЦНТИ Информсвязь, 1977. -Сер. PPT. -№ 1. -С.3-5.

15. Казанский Л.С. Численное интегрирование уравнения эйконала для неоднородных сред// Труды НИИР. -1981. -№ 2. -С.145-148.

16. Казанский Л.С. Фазовые сдвиги в плоской LC-сетке с квадратными ячейками // Труды НИИР. -1981. -№ 4. -С.39-43.

17. Методика настройки КВ-передающих фидеров на бегущую волну с помощью рамок: Утв. Главным управлением космической и радиосвязи Министерства связи СССР 14.03.83. Куйбышев, 1983. - 15 с.

18. Казанский Л.С. Согласование края LC-сетки // Труды НИИР. - 1984. -№ 3. - С. 72-76.

19. Казанский Л.С., Мендруль Г.И. Согласующее устройство СУ-250 // Инф. лист. ЦНИИС. -Куйбышев., 1984. -2 с.

20. Казанский Л.С., Муромов C.B. Подавление помех в многолучевой антенной решетке КВ диапазона // Электросвязь. -1986. -№ 5. -С.21-22.

21. Казанский Л.С. Входное сопротивление LC-сетки // Труды НИИР. -1986. -№ 3. -С.37-40.

22. Казанский JI.C. Зависимость развязки частотно-разделительных устройств от нагрузки // Труды НИИР. -1987. -№ 3. -С.72-75.

23. Казанский Л.С., Каминер Е.Ц., Красильников В.Д., Аитипова С.Е. Бесконтактный шлейф // Электросвязь. -1988. -N» 1. - С.46-47.

24. Казанский Л.С. Оптимизация зависимости коэффициента укорочения волны круглого фазирующего устройства от радиуса // Труды НИИР. -1988. -№ 3. -С.58-60.

25. Зайцев A.B., Казанский Л.С., Шаров C.II., Кольчугин Ю.И. Автоматическое согласутощее устройство для антенного фидера декаметрового диапазона // Электросвязь. -1988. 11. -С.28-29.

26. Казанский Л.С. Фазирующее устройство для кольцевой антенной решетки дскаметровых волн /7 Электросвязь. -1988. -№ 11. -С.17-20.

27. Казанский Л.С. Диаграммообразутощие схемы на основе LC-сетки // Функциональные электродинамические системы и элементы. -Саратов, 1988. - С.99. - (Изд. Саратовского университета).

28. Казанский Л.С. Расходящиеся волны в сплошной среде и в LC-сетке // Труды НИИР. -1989. -№ 3. -С.86-90.

29. Казанский Л.С. Исследование свойств LC-сеток, используемых в диа-граммообразугощих схемах антенных решеток // Радиотехника и электроника.-1989.

9.-С. 1827-1834.

30. Казанский Л.С. Численное моделирование многолучевой эллиптической решетки с фазирующим устройством в виде LC-сетки // Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенпо-фидериых систем и их элементов: Тезисы докл. Всесоюзного научно-технического семинара. -Ростов Ярославский. -1990 . -С.96.

31. Казанский Л.С. Математическое моделирование и оптимизация малогабаритной широкополосной вибраторной антенны // Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно-фидерных систем и их элементов: Тезисы дога. Всесоюзного научно-технического семинара. -Ростов Ярославский. -1990. -С.97.

32. Казанский Л.С. Эллиптические многолучевые антенные решетки декаметрового диапазона// Электросвязь. -1990. -№ 4. -С.8-10.

33. Казанский Л.С., Красильников А.Д., Родина Г.М. Многолучевая приемная антенная решетка декаметровых волн// Электросвязь.-1990.-№4.-С. 22-23.

34. Казанский Л.С. Проектировашге бесконтактных вариометров для автоматизированных согласующе-фильтрующих систем декаметрового диапазона // Электросвязь. -1990. -№ 6. -С.33-34.

35. Казанский Л.С. Расширение частотного диапазона перестраиваемых согласующих устройств // Труды НИИР. -1990. -№ 3. -С.35-38.

36. Казанский Л.С. Оптимизация входного сопротивления вибраторной антенны // Труды НИИР. -1991. -№ 4. -С.43-44.

37. Казанский Л.С. Электродинамическое моделирование проволочных структур на основе обобщенных эквивалентных цепей // Тезисы докл. Российской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ПИИРС. -Самара. -1996. -С.42.

38. Казанский Л.С., Романов В.А. Антеино-фидерные устройства декаметрового диапазона и электромагнитная экология. -М.: Радио и связь, 1996. -270- с.

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

40. Казанский JI.C. Способ расчета прямых антенн с помощью обобщенной эквивалентной це1ш: провод переменного радиуса.// Радиотехника и электроника. -1998, том 43 -№ 2. - С. 175-179.

41. А.с. № 250228 СССР, МКИ Н 01F. Вариометр / Л.С. Казанский (СССР). - 2 е.: ил.

42. А.с. № 255376 СССР, МКИ Н 01F. Вариометр / Л.С. Казанский (СССР). - 2 е.: ил.

43. А.с. № 327542 СССР, МКИН01Р 5/08. Устройство для настройки фидера на бегущую волну / Л.С. Казанский (СССР). - 2 с,: ил.

44. А.с. № 433899 СССР, МКИ Н 01Q 5/02. Антенна / Л.С. Казанский, Г.М. Родина (СССР). - 3 е.: ил.

45. А.с. № 462556 СССР, МКИ Н 01Q 21/00. Фазирующее устройство / Л.С. Казанский (СССР). - 3 е.: ил.

46. Патент № 657482 Россия, МКИ2 Н 01Р 1/12. Антенный переключатель / Л.С. Казанский , Г.И. Мендруль (Россия). - 3 е.: ил.

47. Патент № 687499 Россия, МКИ2 Н 01Р 5/10. Симметрирующее устройство / JI.C. Казанский, Л.С. Текучева, А.А. Штрак (Россия). - 2 е.: ил.

48. Патент № 1060073 Россия, МКИ Н 01 Q 21/00. Фазирующее устройство для кольцевой антенной решетки / Л.С. Казанский (Россия). - 2 е.: ил.

49. Патент № 1125680 Россия, МКИ Н 01 Р 7/04. Резонатор / Л.С. Казанский (СССР). - 3 е.: ил.

50. Патент № 1171861 Россия, МКИ Н 01 F 21/02. Вариометр / Л.С. Казанский (Россия). - 2 е.: ил.

51. Патент № 1184034 Россия, МКИ Н 01 Q 3/26. Антенная система / Л.С. Казанский (Россия). - 4 е.: ил.

52. Патент № 1184410 Россия, МКИ Н 01 Q 21/00. Фазирующее устройство для кольцевой антенной решетки / Л.С. Казанский (Россия). - 4 е.: ил.

53. Патент 1249632 Россия, МКИ Н 01Р 1/10. Устройство для коммутации фидерных линий / Л.С. Казанский, Е.Ц. Камииер (Россия). - 3 е.: ил.

54. Патент № 1332392 Россия, МПК Н 01F 21/10, 27/28. Вариометр / Л.С. Казанский, С.П. Шаров (Россия). - 3 е.: ил.

55. Патент Ks 1356068 Россия, МКИ Н 01 Q 21/00. Фазирующее устройство для кольцевой антенной решетки / Л.С. Казанский (Россия). - 3 е.: ил.

56. Патент № 1646012 Россия, МКИ5 Н 01 Р 5/10. Согласующее устройство / Л.С. Казанский (Россия). - 3 е.: ил.

57. Патент № 1702462 Россия, МКИ Н 01 Q 9/28, 9/44. Антенна / Л.С. Казанский, Е.Ц. Каминер, Г.М. Родина (Россия). - 5 е.: ил.

58. Патент № 2030003 Россия, МКИ Н 01 F 21/02. Вариометр / Л.С. Казанский (Россия).



государственный комитет российской федерации

по связи и информатизации самарский отраслевой научно-исследовательский

ИНСТИТУТ РАДИО

•^е от «а. ~

тСу Шм На правах рукописи

1: г*>!" с /■ :ьь * у я раилек ш '¿А К : ч.

I ' " " 1л

Казанский Лев Серафимович

теория моделирования антенно-фидерных устройств линейными ьс-цепями с потерями, их проектирование и техническая реализация в вч - диапазоне

Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧустройства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

О

чу ^ сс^ с^^

Самара - 1998

/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................6

1.РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНТЕННО--ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ЛИНЕЙНЫМИ ЬС-ЦЕПЯМИ............................21

1.1. Разработка принципов моделирования АФУ как сложной пространственной структуры обобщенными ЬС-цепями.................................21

1.1.1. Основные понятия и определения. Постановка задачи................21

1.1.2. Обобщенная линейная цепь.............................................................25

1.1.3. Моделирование неэкранированных АФУ......................................33

1.1.4. Моделирование экранированных АФУ..........................................38

1.2. Моделирование сплошной среды двумерными ЬС-цепями............42

1.2.1. Представление сплошной среды в виде двумерных

линейных ЬС-цепей - ЬС-сеток...........................................................................42

1.2.2. Исследование бесконечно протяженной ЬС-сетки.......................45

1.2.3. Исследование ЬС-сетки с конечными размерами.........................71

1.2.4. Сопоставление свойств ЬС- сетки и плоской среды для расходящихся волн................................................................................................86

1.3. Моделирование направляющей структуры одномерной

ЬС- цепью...............................................................................................................95

1.3.1. Представление направляющей структуры в виде одномерной неперестраиваемой ЬС- цепи.........................................................95

1.3.2. Особенности моделирования направляющей структуры перестраиваемой ЬС-цепью..................................................................................104

1.4. Моделирование произвольных проволочных структур обобщенными цепями...........................................................................................106

1.4.1. Метод расчета прямолинейных проволочных антенн путем моделирования обобщенными цепями....................................................106

1.4.2. Обобщение метода расчета на случай проволочных антенн

произвольной конфигурации................................................................................115

Выводы по разделу......................................................................................126

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ФАЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МАЛОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН.................................................................................................................127

2.1. Определение требований к фазирующим устройствам

антенных решеток и их структуры......................................................................127

2.1.1. Особенности современных систем декаметровой связи...............127

2.1.2. Требования к антеннам.....................................................................127

2.1.3. Требования к фазирующим устройствам........................................129

2.1.4. Определение структуры фазирующего устройства.......................129

2.2. Разработка метода проектирования фазирующих устройств

в виде LC-сеток для кольцевых антенных решеток...........................................130

2.2.1. Синтез фазирующих устройств в виде LC-сетки на основе линзовых антенн - прототипов............................................................................130

2.2.2. Структурная оптимизация прототипа по критерию максимальной точности фазирования заднего полукольца кольцевой антенной решетки .... 142

2.2.3. Параметрическая оптимизация круглого фазирующего устройства по критерию максимальной точности фазирования

заднего полукольца кольцевой антенной решетки............................................152

2.2.4. Управление диаграммой направленности кольцевой антенной решетки с фазирующим устройством в виде ЬС-сетки.....................................154

2.3. Особенности проектирования фазирующих устройств в виде

ЬС- сеток для конформных решеток...................................................................159

2.3.1. Проектирование фазирующих устройств в виде ЬС- сеток для эллиптических и линейных антенных решеток...........................................159

2.3.2. Проектирование фазирующих устройств в виде LC- сеток для плоских сканирующих антенных решеток произвольной конфигурации.......177

2.4. Методика проектирования малогабаритных антенн на основе представления в виде соединения контуров с разными резонансными частотами................................................................................................................183

Выводы по разделу......................................................................................191

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ МОЩНЫХ СОГЛАСУЮЩИХ УСТРОЙСТВ............193

3.1. Разработка метода проектирования мощных перестраиваемых согласующих устройств........................................................................................193

3.1.1. Методика проектирования однозвенных устройств......................193

3.1.2. Методика проектирования многозвенных устройств....................212

3.1.3. Синтез алгоритмов настройки и особенности проектирования автоматических перестраиваемых согласующих и согласующе--фильтрующих устройств.....................................................................................216

3.2. Разработка метода проектирования неперестраиваемых согласующих устройств........................................................................................226

3.2.1. Проектирование многочастотных согласующих устройств в

виде системы сосредоточенных неоднородностей на антенном фидере........226

3.2.2. Проектирование устройств компенсации локальных отражений..........237

3.3. Разработка методик проектирования элементов мощных согласующих устройств..............................:.........................................................................243

3.3.1. Принципы построения бесконтактных вариометров....................243

3.3.2. Методика расчета индуктивности бесконтактных вариометров .248

3.3.3. Проектирование малогабаритных элементов с распределенными параметрами для неперестраиваемых устройств...............................................260

Выводы по разделу......................................................................................270

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ

ФАЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК И МАЛОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН ДЛЯ ВЧ РАДИОСВЯЗИ.............................272

4 Л. Техническая реализация кольцевой антенной решетки с LC- сеткой для ВЧ - радиосвязи..........................................................................272

4.2. Управление диаграммами направленности кольцевой антенной решетки...................................................................................................................280

4.3. Подавление сосредоточенных помех в многолучевой антенной решетке с LC- сеткой.............................................................................................283

4.4. Техническая реализация малогабаритных антенн............................287

Выводы по разделу......................................................................................296

5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СОГЛАСУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАДИОВЕЩАНИЯ И РАДИОСВЯЗИ ВЧ - ДИАПАЗОНА...................................................................298

5.1. Техническая реализация мощных бесконтактных вариометров

с широкими пределами регулировки индуктивности........................................298

5.1.1. Техническая реализация бесконтактных вариометров в виде плоской спирали, однослойной катушки, расходящихся проводников..........298

5.1.2. Реализация бесконтактных вариометров с уменьшенными габаритами и металлоемкостью..........................................................................308

5.1.3. Реализация бесконтактных вариометров с пониженной минимальной индуктивностью............................................................................315

5.2. Техническая реализация перестраиваемых резонаторов.................325

5.3. Техническая реализация неперестраиваемых согласующих устройств ..336

Выводы по разделу......................................................................................338

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................340

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................347

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты внедрения диссертационных материалов......370

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы и состояние вопроса

Актуальность. В настоящее время продолжает интенсивно развиваться и становится все более доступной вычислительная техника. Инженер-разработчик или проектировщик антенно-фидерных устройств имеет на своем рабочем столе вычислитель, намного превосходящий по своим возможностям недавнюю ЭВМ среднего класса, как, например, ЕС-1033, занимавшую целый зал, и машинное время на которую можно было получить лишь в ограниченных количествах и задолго записавшись в очередь. В то же время, мнение, что развитие вычислительной техники делает менее актуальным совершенствование численных методов и алгоритмов, ошибочно, ибо не учитывает диалектический характер отношения «процессор-алгоритм» (это, впрочем, относится к любой области человеческой деятельности). Ведь увеличение мощности ЭВМ позволяет существенно расширить класс решаемых задач, снять многие ограничения и допущения (например, выполнить анализ вибраторной или панельной антенны не самой по себе, а с учетом влияния значительной части ферменной опоры), что требует увеличения времени счета и объема оперативной памяти, т.е. предполагает применение более совершенных алгоритмов [23]. Иначе говоря, потребности в исследовании все более сложных объектов постоянно растут, и они должны удовлетворяться как за счет развития вычислительной техники, так и за счет совершенствования численных методов и алгоритмов.

Некоторые классы антенно-фидерных устройств могут быть моделированы ЬС-цепями, в том числе ЬС-цепями с потерями. Такое моделирование обеспечивает построение эффективных и надежных численных алгоритмов, обеспечивающих простоту программирования, высокую точность расчетов, выполнение решений в широком диапазоне изменения исходных параметров. Обеспечение достоверности и точности расчетов может позволить отказаться от экс-

периментальной проверки новых технических решений, что особенно важно в современных рыночных условиях, поскольку сокращаются сроки и стоимость разработки и проектирования. К этому следует добавить, что в распоряжении пользователя появились мощные пакеты современных программных средств для анализа электронных схем и цепей [144, 145, 146], которые, благодаря цепному моделированию, могут быть применены к исследованию электродинамических объектов. Кроме того, цепное моделирование позволяет при проектировании антенно-фидерных устройств применить мощный аппарат синтеза цепей.

Другой аспект цепного моделирования - реализация устройств, которые традиционно использовались не в цепном исполнении. Совершенствование технологии и автоматизация производства, обеспечивающие высококачественную и относительно дешевую элементную базу (см., например, [9, 54]) позволяет некоторые фидерные устройства выполнять с использованием реальных LC-цепей, состоящих из катушек индуктивности и конденсаторов, то есть осуществить физическое моделирование этих фидерных устройств LC-цепями. В результате могут быть получены фидерные устройства с новыми свойствами, например, достигнуто резкое сокращение габаритов, расширение полосы частот. В ряде случаев это позволяет использовать принцип действия устройств СВЧ на значительно более низких частотах [15-17].

Физическое моделирование с целью реализации может осуществляться, вообще говоря, в различных диапазонах частот, но наиболее актуально в антен-но-фидерной технике диапазона КВ. В последние несколько десятилетий КВ радиосвязь и радиовещание существуют в довольно сложных условиях жесткой конкуренции с другими видами связи и вещания. Тем не менее, в настоящее время в мире происходит «возрождение» КВ связи, прежде всего специального назначения [4, 26, 164, 188]. Разрабатываются новые принципы организации систем связи [4, 22, 26], новая каналообразующая и приемо-передающая аппаратура, новые антенны [5, 7, 14, 26]. Аналогичные тенденции прослеживаются и в разработках ведущих зарубежных фирм (Роде и Шварц, Моторола, Харрис

и т.д.) [22, 113]. Основные направления в развитии техники КВ - автоматизация установления связи, выбора оптимальных частот и пути связи (выбора пунктов переприема в сети) [113, 118]. Результатом является резкое повышение надежности КВ радиосвязи, которая достигает уровня, типичного для других современных систем связи, с одновременным снижением мощностей передатчиков и стоимости передачи сообщений. В результате КВ связь становится конкурентоспособной, сохраняя основную свою особенность - малую уязвимость в особых условиях, в том числе при боевых воздействиях на объекты связи, а также использовании противником активных средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) [26, 113]. Следует отметить, что для КВ связи, по сравнению со спутниковой, проще решаются вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) с радиолокационными средствами [26], что особенно важно при их сосредоточенном размещении (например, на боевом корабле). Существует обоснованное мнение, что знаменитая атака аргентинского «Миража» на британский эсминец «Шеффилд» в ходе Фолклендского конфликта не была бы столь успешной, если бы «Шеффилд» во время атаки обеспечивал прямую связь эскадры с Лондоном не по спутниковому (из-за чего часть его радиолокационных средств по условиям ЭМС не использовалась), а по КВ каналу. Определенные перспективы имеет и КВ радиосвязь гражданского назначения, в частности, зоновая, организованная по принципу вынесенного ретранслятора [26].

Следует отметить, что наблюдаемый застой в развитии КВ связи в РФ -явление, несомненно, временное и обусловлено экономической депрессией. По мере преодоления последней неизбежно обновление технических средств коротковолновых радиосвязи и радиовещания. Для России с ее обширной и во многих местах редконаселенной территорией коротковолновая радиосвязь имеет особое значение [63].

Коротковолновое радиовещание для России также имеет большое значение. Оно, кроме того, остается наиболее дешевым и доступным средством радиовещания на большие площади нашей страны и на зарубежные страны, и в

настоящее время техника его развивается, в частности, в направлении перехода к однополосному и цифровому вещанию, что сулит резкое повышение качества [22, 112]. Необходимо отметить также следующее обстоятельство. В настоящее время многие передающие радиоцентры оказались в черте городов или возле нее, что приводит к облучению населения. Вопрос о переносе радиоцентров ставился неоднократно, но пока не может быть осуществлен из-за упомянутой экономической депрессии, но сама необходимость его, разумеется, не отпала [58]. Поэтому в настоящее время желательна подготовка технических решений, которые позволили бы на новых местах возводить совершенные по своим техническим характеристикам антенно-фидерные сооружения, требующие меньших затрат земельной площади.

В перспективных системах КВ связи и вещания потребуется использование качественно новой каналообразующей и приемопередающей аппаратуры, а также новых антенн и антенно-фидерных устройств: дешевых (в расчете на один канал), занимающих малую площадь, автоматически коммутируемых и перестраиваемых, обеспечивающих высокую надежность и живучесть антенно-фидерного тракта и системы связи в целом. Создание подобных антенн и антенно-фидерных устройств (АФУ) в свою очередь требует дальнейшего совершенствования теории и техники, разработки соответствующих новых принципов, подходов, математических моделей, методов и алгоритмов, а также новых технических решений.

Широкие возможности эффективного решения указанного круга проблем открываются на путях дальнейшего развития упомянутых выше теории, методов и алгоритмов моделирования АФУ ЬС-цепями.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема создания теории моделирования антенно-фидерных устройств линейными ЬС-цепями и разработки на этой основе новых методов проектирования АФУ и новых технических решений с целью дальнейшего со-

вершенствования антенн и антенно-фидерных трактов систем связи и радиовещания ВЧ диапазона.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Вследствие актуальности предмета, по моделированию имеется большое количество работ [12, 24, 40, 43, 44, 48-51, 78, 79, 116, 117, 119, 125-128, 135]. Так, например, в трудах Д.Д. Кловского [55] рассматривается моделирование каналов связи на основе феноменологического подхода. Здесь же мы осуществляем моделирование, основываясь на физической природе объектов - антенно-фидерных устройств, кроме того, мы ограничиваемся моделированием только ЬС-цепями.

Представление линии передачи одномерной эквивалентной ЬС-цепью осуществлено еще в ранних работах Щелкунова [154]. Для одномерных цепей известны фазовые сдвиги и отклонения фазы от линейной в диапазоне частот. Известны также искусственные линии - результат физического моделирования линий задержки ЬС-цепями. Представляется, что дальнейшее развитие исследований в этом вопросе желательно в направлении сопоставления эффективности моделирования неоднородной линии передачи ЬС-цепью и ступенчатой линией в целях расчета и в реализации н�