Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса
Улучшение качественных показателей современных радиотехнических систем (повышение дальности связи и вещания, увеличение числа каналов, снижение массогабаритных характеристик аппаратуры связи и т.п.) вызывает необходимость дальнейшего совершенствования теории и техники устройств антенно-фидерного тракта. Качественные показатели системы связи в целом зависят от характеристик ее составных частей: антенно-фидерного тракта и приемо-передающего оборудования. При этом имеется возможность варьирования характеристик составных частей при сохранении показателей системы в целом с учетом конкретных обстоятельств, например, ограничений на размещение антенн, на мощность радиопередатчика и т.п. Такой подход позволит оптимизировать систему связи.
Одним из перспективных направлений в технике антенн является использование принципов интеграции активных элементов и излучателей, например, активные приемные антенны, исследованию которых посвящены работы Б.Г.Цыбаева, Б.С.Романова, М.И.Канторовича. Во многих случаях это позволяет успешно решать вопросы, связанные с уменьшением массогабаритных показателей антенных систем, расширением в несколько раз рабочей полосы частот, улучшением чувствительности приемных систем в пределах всего рабочего диапазона частот.
Как известно, широкополосный усилитель, входящий в состав активной приемной антенны, является дополнительным элементом для нелинейного взаимодействия сосредоточенных помех, продукты которых в конкретной помеховой обстановке могут привести к искажению или потере передаваемой информации. Поэтому для решения вопроса о целесообразности применения активной антенны в заданных конкретных условиях приема желательно иметь единый критерий качества, учитывающий как шумовые, так и нелинейные свойства системы, и позволяющий оценить эффективность использования активной антенны. Для этой цели можно использовать коэффициент помехозащищенности приемного тракта, предложенный Н.М.Ляпуновой. Данная методика оценки помехозащищенности оперирует с коэффициентами степенного полинома, которым аппроксимируется нелинейный элемент. Измерение на практике передаточных характеристик нелинейного элемента (особенно при больших уровнях входного сигнала) достаточно сложная и трудоемкая задача. Кроме этого, данная методика не учитывает нелинейность радиоприемного устройства (РПУ).
Вопросы снижения массогабаритных показателей антенных систем особенно актуальны для ВЧ диапазона. Антенные поля многих типовых антенн этого диапазона весьма значительны по занимаемым площадям Задача максимально эффективного использования антенных
полей является очень актуальной. Решение этой задачи обеспечивается применением активных антенн (АА) ВЧ диапазона и создаваемых на их базе многолучевых фазированных антенных решеток (ФАР), описанных в работах Л.С.Казанского.
Для целей измерения и контроля уровня напряженности поля радиостанций широко используются АА. Основным требованием, предъявляемым к измерительной антенне, является постоянство действующей высоты во всем рабочем диапазоне частот. Известно, что действующая высота активной антенны зависит от размеров вибратора активной антенны и высоты ее расположения над землей. Знание этих зависимостей позволит разрабатывать измерительные антенны с малой погрешностью измерений. Расчет антенных параметров (характеристик направленности, действующей высоты, КНД и т.д.) с помощью методов геометрической оптики с использованием коэффициентов Френеля для учета влияния полупроводящей поверхности в данном случае неприменимо, поскольку высота подвеса активных антенн очень часто бывает соизмерима с размерами вибратора (т.е. h<<^). В работах Г.А. Лаврова, А.С.Князева учет полупроводящей земли рассматривался при синусоидальном распределении тока по вибратору. Такой подход приводит к большим погрешностям результатов вычислений входного сопротивления и, соответственно, уровня полезного сигнала на выходе антенны. Здцача нахождения поля произвольно ориентированного элементарного-вибратора, расположенного над полупроводящей поверхностью решена в работах Г.Н.Крылова.
Вопрос о влиянии электрофизических параметров земли на характеристики активных антенн в настоящее время малоизучен.
В настоящее время в сельских районах России быстрыми темпами происходит замена проводного вещания на ОВЧ ЧМ вещание, позволяющего, кроме прямого назначения, использовать его для передачи сигналов в чрезвычайных ситуациях, например, в период стихийных бедствий. В городах отмечается тенденция к увеличению одновременно работающих радиосредств диапазонов 65,9...74 МГц и 100 ... 108 МГц, поэтому весьма актуальным является эффективное использование существующих антенно-мачтовых сооружений и возможность организации новых программ при минимальной дополнительной реконструкции радиоцентра. Одним из путей решения этой проблемы является использование антенно-усилительных комплексов, включающих в себя высокочастотное радиопередающее и антенно-фидерное оборудование. При этом антенна должна работать в нескольких частотных диапазонах. В работах В.В. Овсянникова и Г.А.Вишневской подробно рассматриваются такие антенны, однако во всех частотных диапазонах они имеют одинаковую поляризацию излучения, что во многих случаях запрещено органами Госсвязьнадзора.
В последнее время стремительными темпами развиваются многоканальные системы подвижной связи (СПС) с малым частотным разносом между каналами. Улучшение качественных показателей системы при снижении стоимости может быть достигнуто как применением оптимальных схемотехнических решений (для системы в целом), гак и на основе улучшения показателей отдельных составных частей. Важной составной частью системы является антенный усилитель высокой частоты (АУ), предназначенный для компенсации потерь мощности принимаемого сигнала в фидере и распределения его на требуемое количество каналов. От качественных характеристик АУ (коэффициента шума, динамического диапазона, коэффициента усиления и т.д.) зависят качественные показатели системы в целом.
Таким образом, исследование и расчет характеристик усилительных устройств в совокупности с антеннами и устройствами антен-но-фидерного тракта на единой методологической основе, позволит улучшить качественные показатели радиотехнических систем в целом.
Цель работы - исследование и разработка антенно-
усилительных комплексов для радиосвязи и радиовещания и их элементов, позволяющих получить более высокие качественные показатели (меньшая масса и габариты, большая полоса рабочих частот, увеличение дальности связи и вещания и количества каналов) систем радиосвязи и радиовещания ВЧ и ОВЧ диапазонов.
Основные задачи исследований.
-
Исследование характеристики и разработка сверхширокополосных (двадцатикратное перекрытие по частоте) приемных антенно-усилительных комплексов для ВЧ радиосвязи
-
Исследование и разработка схемы построения антенно-усилительного комплекса для ОВЧ ЧМ радиовещания, обеспечивающей возможность его дальнейшего развития и реализации различных типов организации вещания.
-
Исследование и разработка приемных антенных усилителей для ВЧ и ОВЧ радиосвязи в качестве элементов антенно-усилительного комплекса.
Методы исследований: численные методы параметрической оптимизации, решение внешней электродинамической задачи методом интегрального уравнения, аналитический аппарат теории линейных электрических цепей в терминах волновых матриц рассеяния, методы теории вероятности и теории статистического приема, численные методы статистического моделирования, методы структурной оптимизации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Исследованы частотные зависимости уровня полезного сигнала приемных активных и пассивных вибраторных антенн в зависимости от их размеров, высот подвеса, а также их взаимное влияние в составе фазированных антенных решеток диапазона ВЧ с учетом влияния полупроводящей земли.
-
Разработана новая методика анализа приземных вертикальных активных и пассивных вибраторов и их систем, основанная на применении известного решения электродинамической задачи излучения элементарного вибратора вблизи полупроводящей поверхности в рамках метода моментов.
3. Выполнен расчет вероятности поражения антенно-
усилительного комплекса по нелинейным каналам (интермодуляция
АА и РПУ, блокирование и перекрестная модуляция АА) по известным
значениям динамического диапазона АА и РПУ.
-
Определена степень влияния неидентичности амплитудно- и фазочастотных характеристик активных антенн, а также отказов активных антенн на коэффициент направленного действия (КНД) и характеристики направленности ФАР диапазона ВЧ.
-
Проведен синтез трехдиапазонной двухполяризационной антенны ОВЧ ЧМ вещания.
Практическая ценность.
Разработаны приемные сверхширокополосные антенно-усилительные комплексы для ВЧ радиосвязи, позволяющие уменьшить площади антенных полей и дающие возможность создания быстрораз-ворачиваемых комплексов для заинтересованных ведомств.
Разработана концепция построения многопрограммного комплекса ОВЧ ЧМ вещания. Разработанные на основе этой концепции и внедренные многопрограммные радиовещательные антенно-усилительные комплексы позволяют обеспечить ОВЧ ЧМ вещанием ряд сельских районов различных регионов России.
Разработаны узкополосные приемные антенные усилители для систем специальной подвижной связи, обеспечивающие увеличение дальности связи.
На все предложенные устройства разработана рабочая конструкторская документация.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы на реальных объектах при внедрении сверширокополосных приемных активных антенн и фазированных антенных решеток, при внедрении антенно-фидерных устройств стационарных объектов систем специальной подвижной радиосвязи.
Результаты работы реализованы при создании составных частей маломощного многопрограммного комплекса ОВЧ ЧМ вещания КЧМ-300. Налажен мелкосерийный выпуск этих комплексов.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно - исследовательской части и аспирантов по итогам научных исследований в 1988 г. (г. Москва, МЭИС, 1988 г.), на тематическом заседании-семинаре «Автоматизированная аппаратура для ДКМ радиосвязи НТО ЮС им. А.С.Попова (Москва, 1986 г.), на всесоюзной школе молодых ученых НТО ЮС им. А.С.Попова (Куйбышев, 1988 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава, посвященной 100-летию радио (Самара, ПИИРС, 1995г.), на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава, посвященной 40-летию ПИИРС (Самара, 1996г.), на Российской научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава. (Самара, ПГАТИ, 1998 г.)
Основные результаты работы опубликованы в 7-ми параграфах трех монографий; 5 научных статьях, 3 тезисах докладов на научных конференциях.
Объем и структура работы.