Введение к работе
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 LC-цегоши. 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. Другой 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-
4 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 научно-техническая 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, Н.А. Гальченко, Д.Н. Закс, 3.1". Каганов, Б.Ю. Капилевич, 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.
Двумеріше 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 А.Л. Бузова исследованы вопросы, связанные с использованием LC-сетки, но только в качестве диаграммообразующей 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 вігутри 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 сігх 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, СИ. Эминов, Ю.В. Пименов, А.В. 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 LC-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 LC-цегшми, 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
-
Разработка теории моделирования антенно-фидерных устройств линейными LC-цепями. Разработка принципов моделирования антенно-фидерных устройств. Моделирование сплошной среды двумерными LC-цепями. Моделирование неоднородной линии передачи одномерной LC-цепью. Моделирование произвольных проволочных структур обобщенными LC-цегоши.
-
Разработка метода проектирования фазирующих устройств в виде LC-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.
-
Разработка методов проектирования согласующих устройств с использованием моделирования LC-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 LC-сеткой для ВЧ-радиосвязи. Управление
диаграммами направленности кольцевой антенной решетки с LC-сеткой в
7 горизонтальной и вертикальной плоскостях. Подавление сосредоточенішіх помех в многолучевой антенной решетке с LC-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:
-
Разработана теория моделирования антешго-фидерных устройств линейными LC- цепями с потерями. Разработаны принципы моделігровашія АФУ как сложной пространственной структуры обобщенными LC-цепями. Разработаны научные основы для физического моделирования линзовых антенн из неоднородного диэлектрика двумерными LC-цепями.
-
Предложен и разработан метод расчета проволочных антенн па основе моделирования произвольных проволочных структур обобщенными LC-цепями.
-
Разработан метод проектирования нового класса фазирующих устройств для антенных решеток в виде LC-сеток, включая проектирование фазирующих устройств для кольцевых и конформных антенных решеток.
-
Разработаны методы проектирования новых перестраиваемых и неперестраиваемых согласующих устройств и малогабаритных антенн, полученных путем моделирования одномерными LC-цепями.
-
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 антешю-фидерных устройств LC-цепями позволяет существенно расширить круг практических задач, решаемых на основе подобного моделирования.
-
На основе теории создан новый класс сверхширокополосных фазирующих устройств для антенных решеток; разработаны новые технические решения, на которые получены патенты и авторские свидетельства.
-
На основе теории получены новые технические решения перестраиваемых (в том числе автоматически) и неперестраиваемых согласующих устройств, па которые получены патенты и авторские свидетельства.
-
На основе теории получены новые технические решения малогабаритных антенн, получены патент и авторское свидетельство.
-
Разработаны новые технические решения элементов согласующих устройств, на которые получеїш 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 ЫТОРЭС им. А.С. Попова "Антенно-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
9 1985 г., ноябрь 1986 г.), на научно-технических конференциях Куйбышевского отделения НТОРЭС им. А.С. 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