Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Оптимізація характеристик випромінювання суднових антен супутникових систем радіозв'язку
05.12. 07 – Антени та прилади мікрохвильової техніки
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертація є рукопис
Робота виконана в Севастопольському державному технічному університеті (департамент радіотехніки)
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Лобкова Любов Михайлівна,
СевДТУ
Офіційні опоненти :
доктор технічних наук, професор
Кулемін Геннадій Петрович,
ІРЄ ім. А.Я. Усікова НАН України
кандидат технічних наук
Ермолов Павло Петрович,
Підприємство "Вебер"
Провідна установа Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"
Захист відбудеться “ 24 ” 06 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 50.052.03 в Севастопольському державному технічному університеті.
Адреса університету: 335053, г. Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету.
Автореферат розісланий “ 20 ” 05 1999 р
спеціалізованої вченої ради
К 50.052.03, к.т.н., ст. викладач М. Б. Проценко
Розвиток мережі супутникових систем суднового радіозв'язку призвів до необхідності пред'явити більш жорсткі вимоги до проектування суднових дифракційних антен.
Вдосконалення таких антен неможливе без рішення широкого кола задач аналізу і синтезу, серед яких важливе місце займає розробка математичної моделі оптимізації геометричних характеристик дводзеркальних антен з урахуванням впливу дійсного розташування антені на кораблі і її електромагнітной сумісності, а також впливу турбулентних неоднорідностей показника преломлення в приводному шарі атмосфери і статистичних властивостей морського заворушення.
Існують асимптотичні засоби розрахунку до різноманітних варіантів дифракційних антен. Але вони не можуть найбільш повно описати фізичну модель дійсної антени, працюючої в дійсних умовах, при цьому не існує обгрунтованого вибору геометричних параметрів при побудові дводзеркальних антен.
Тому всі існуючі типи дводзеркальних антен будуються в основному з використанням довгофокусних дзеркал при основній вимозі – отримання максимального значення коефіцієнта підсилення антени і зменшення бокового випромінювання.
Застосування антен в дійсних умовах призвело до необхідності перегляду критерію оптимального вибору параметрів антени, з урахуванням шумових характеристик антени, її коефіцієнту розсіювання і коефіцієнту використання апертури.
Вплив зовнішніх чинників на параметри суднових антен призвів до необхідності врахування статистичної теорії антен, що дозволить оцінити характер зміни середньої діаграми направленості по потужності, а також можливі втрати підсилення антени.
Таким чином, вжита спроба, розробити математичну модель дводзеркальної антени, що враховує як детерміновані так і статистичні характеристики, на підставі яких можна проводити оптимізацію геометричних параметрів антени.
Мета і основні завдання досліджень.
Метою нинішньої роботи є: 1) рішення задачі дослідження характеристик випромінювання дводзеркальних антен з урахуванням розташування системи, що опромінює, в зоні Френеля великого дзеркала.
2) оцінка статистичних характеристик поля випромінювання одновимірної і двовимірної апертур при заданому амплітудно-фазовому розподілі поля.
Основні задачі дослідження мали наступне:
1) Розробку математичної моделі до розрахунку дводзеркальних антен і дослідження просторово-поляризаційної структури поля випромінювання, зумовленої впливом амплітудно-фазового розподілу поля первинного опромінювача і близькістю розташування системи, що опромінює, до френелевської зони.
2) Теоретичне дослідження амплітудно-фазових характеристик дводзеркальних антен.
3) Теоретичні дослідження статистичних характеристик поля випромінювання двовимірних і одновимірних апертур.
4) Розробку чисельних засобів оптимізації детермінованих та статистичних характеристик поля випромінювання двовимірних апертур.
5) Теоретичне дослідження величин втрат коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення в залежності від статистичної моделі турбулентної атмосфери, а також статистичних параметрів, що визначають точність виготовлення дзеркал, що застосовуються.
6) Проведення чисельних розрахунків до оцінки статистичних характеристик коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення, ширини діаграми направленості, рівня бокового випромінювання.
Засоби досліджень.
Рішення поставленої задачі засноване на рішенні рівнянь Максвелла, з урахуванням граничних умов до амплітудно-фазового розподілу поля на малому дзеркалі, а також розташування системи, що опромінює, в зоні Френеля великого дзеркала.
До оцінки впливу неточності виготовлення дзеркал, а також статистичних властивостей реальної атмосфери була використана статистична теорія антен з застосуванням гаусовської моделі турбулентної атмосфери.
Наукова новизна.
При виконанні дисертаційної роботи вперше отримані результати:
- запропонована математична модель дводзеркальної антени на основі застосування геометрооптичного наближення і чисельних засобів оптимізації геометричних параметрів антенної системи, при цьому головна увага звернута на побудову системи, що опромінює, і аналіз впливу амплітудно-фазового розподілу в апертурі опромінювача і геометричних параметрів системи, що опромінює, на характер розподілу поля в апертурі великого дзеркала;
- проведене теоретичне дослідження залежності амплітудно-фазового розподілу поля поблизу поверхні малого дзеркала і полярізацийної структури поля в апертурі великого дзеркала від геометричних параметрів системи, що опромінює, а також від амплітудно-фазового розподілу в апертурі первинного опромінювача.
На основі статистичної теорії антен виведені формули до середньої діаграми направленості по потужності для двовимірної і одновимірної апертур з урахуванням заданого вигляду амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі антени.
Виведені формули до оцінки втрат коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення з урахуванням статистичних параметрів реальної атмосфери і неточності виготовлення дзеркал.
Отримані чисельні результати до оцінки втрат коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення, ширини головної пелюстки, рівня випромінювання в головному напрямку.
Проведене експериментальне дослідження характеристик випромінювання дводзеркальних антен, побудованих на основі наступних типів більших дзеркал цільного і збірного з шести сегментів*. Виявлений вплив нерівномірності профілю більшого дзеркала на характеристики антени.
Практична цінність.
Запропонована математична модель дводзеркальних антен на основі застосування геометрооптичного наближення і чисельних засобів оптимізації геометричних параметрів антенної системи.
Проведене теоретичне дослідження залежності амплітудно-фазового розподілу поля поблизу поверхні малого дзеркала і поляризаційної структури поля в апертурі великого дзеркала від геометричних параметрів системи, що опромінює, а також від амплітудно-фазового розподілу в апертурі первинного опромінювача.
На основі статистичної теорії антен виведені формули до середньої діаграми направленості по потужності для двовимірної і одновимірної апертур з урахуванням заданого вигляду амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі.
Виведені формули до оцінки втрат коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення з урахуванням статистичних параметрів реальної атмосфери і неточності виготовлення дзеркал.
Отримані числові результати до оцінки втрат коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення, ширини головної пелюстки, рівня випромінювання в головному напрямку.
Проведене експериментальне дослідження характеристик випромінювання дводзеркальних антен, побудованих на основі наступних типів більших дзеркал цільного і збірного з шести сегментів. Виявлений вплив
* Збірне дзеркало з шести сегментів надане АТ НВП “Сатурн”
нерівномірності профілю більшого дзеркала на підсилення антени.
Апробація результатів роботи.
Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на:
Міжнародній конференції по теорії і техніці антен, Київ, 1997.
3-й Міжнародній науково-технічній конференції по електрозв'язку, телевізійному і звуковому мовленню, Одеса, 1997.
7-й Міжнародній науково-технічній кримській микрохвильовій конференції: НВЧ-ТЕХНІКА і супутникові телекомунікаційні технології, Севастополь, 1997.
На семінарах і конференціях, що проводилися на департаменті радіотехніки Севастопольського державного технічного університету з 1995 по 1998 р.
За матеріалами досліджень опубліковано 11 робіт: з них 6 — наукових статей, 5 — тез доповідей на міжнародних конференціях.
Обсяг роботи.
Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти глав і укладення, викладених на 181 сторінках машинописного тексту з ілюстраціями на 57 сторінках, списку джерел, що використалися з 102 найменувань на 10 сторінках.
Основні положення, що виносяться на захист.
1) Математична модель дводзеркальної антени, що дозволить досліджувати динаміку зміни амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі основного дзеркала з урахуванням всіх геометричних і електричних характеристик системи, що опромінює.
2) Результати теоретичного дослідження амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі дводзеркальних антен.
3) Результати теоретичного дослідження статистичних характеристик одновимірних і двовимірних апертур.
4) Формули для оцінки статистичних параметрів середньої діаграми направленості по потужності одновимірної і двовимірної апертур. Формули до оцінки статистичних параметрів коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення.
5) Результати чисельної оптимізації поляризаційної структури поля дводзеркальних антен, статистичних параметрів коефіцієнта направленої дії і коефіцієнту підсилення.
6) Результати експериментального дослідження характеристик випромінювання дводзеркальних антен з цільним великим дзеркалом діаметром 1,77 м і збірним діаметром 1,83 м.
Зміст роботи
В вступі обгрунтована актуальність розробки засобів побудови і оптимізації характеристик дводзеркальних антен, сформульовані положення, що виносяться на захист, наведена стисла анотація основних результатів дослідження і зміст дисертації по главам.
Перша глава присвячена аналізу вимог, що пред'являються до антен суднових супутникових систем зв'язку, порівняльного аналізу різноманітних типів антенних систем для суднового радіозв'язку, а також оцінці засобів дослідження поля в апертурі дифракційних антен і обгрунтуванню засобів теоретичних досліджень статистичних характеристик антен.
Аналіз антенних систем для суднового супутникового зв'язку і вимог, що пред'являються до них, показав необхідність створення такої антенної системи, що при малих габаритах задовольняла всім вимогам, що подаються до неї. При цьому велику цікавість представляє використання дводзеркальної антенної системи. Розглянуті основні засоби, що застосовуються для дослідження амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі дифракційних антен. Аналіз даних засобів показав, що при визначенні поля в апертурі дифракційних антен необхідно використати засіб геометричної теорії дифракції, бо він дасть можливість більш точно оцінити характер поведінки поля, зумовленого близькістю розташування елементів антенної системи, а також врахувати наявність зон дифракції.
При дослідженні характеристик випромінювання необхідно також враховувати вплив турбулентної атмосфери на випадкові зміни фазової структури і амплітуди поля, до того, щоб отримати оцінки статистичних характеристик, середньої діаграми направленості по потужності, середнього коефіцієнту направленої дії і коефіцієнту підсилення антени.
Існує сильна залежність даних характеристик випромінювання від співвідношення діаметру апертурля до радіусу просторової корреляції фазових флуктуацій, при цьому істотну роль грає величина дисперсії фазових флуктуацій. Для оцінки втрат коефіцієнту підсилення необхідні дані про метеорологічну обстановку в районі розташування антенної системи, результати профільних вимірів індексу преломления і оцінки статистичних характеристик флуктуації фази поля в місці прийому.
При побудові антенної системи необхідно враховувати шумову температуру, при цьому визначальний вплив виявляє коефіцієнт розсіювання діаграми направленості. Тому при оптимізації коефіцієнтів використання апертури антені необхідно враховувати допустимі значення для коефіцієнту розсіювання.
В другі главі проведене теоретичне дослідження основних характеристик системи, що опромінює, дводзеркальної антени. Розглянуті особливості побудови дводзеркальних антен з застосуванням парасолькових дзеркал.
Побудована модель амплітудного розподілу поля в апертурі великих дзеркал. При цьому в якості первинного опромінювача приймалася колова апертура, в якій був заданий симетричний розподіл поля лінійної поляризації. Аналіз був проведений для магнітної складової поля, наведеної в вигляді:
,,,
де - нормована координата в розкритті опромінювача; 2b - діаметр розкриття апертури опромінювача; A0,q, - константи, що визначають розподіл амплітуди і фази поля в апертурі опромінювача.
Проведене дослідження магнітної складової поля поблизу поверхні малого дзеркала:
,
де r – відстань від розкриття, що випромінює, до поверхні малого дзеркала; S0 – апертура опромінювача; k=2.
Враховуючи ті обставини, що поверхня малого дзеркала розміщена в зоні Френеля опромінювача, можна скористатися розкладом r з урахуванням квадратичного додатку і представити в вигляді:
,
де r0 – відстань від центру апертури до крапки на поверхні малого дзеркала; - кут між фокальною віссю і напрямком r0; 0 і – кути що характеризують положення розглядуваної крапки в площині апертури опромінювача і малого дзеркала.
Було знайдене поле поблизу поверхні малого дзеркала. Далі визначені струми, що протікають на його поверхні, і з урахуванням цих струмів, знайдене поле поблизу поверхні великого дзеркала, а після цього і в його розкритті.
Отримані результати дозволили провести аналіз поля в апертурі великого дзеркала з урахуванням заданої конфігурації системи, що опромінює.
На рис.1 наведені розподіли амплітудиЕб і фази Фб поля в залежності від куту між фокальної віссю і напрямком на велике дзеркало з крапки його фокусу до антенних систем з більшим дзеркалом 2а=1,83м, F/2a=0,31 (рис.1,а,б), і 2а=1,77м, F/2a=0,36 (рис.1,в,г), при цьому ексцентриситет малого дзеркала був прийнятий е=1,7, діаметр опромінювача 2b=0,15 м.
З наведених характеристик видно, що в амплітудно-фазовом розподілі виявляється вплив зон Френеля, тобто розподіл амплітуд поля має нерівномірній характер і існують чітко виявлені провали. При цьому для дзеркала діаметром 1,77м спостерігається більш рівномірній розподіл амплітуди поля в розкритті антені, а зміна фази в апертурі менше 50.
В третій главі отримані основні співвідношення для середньої діаграми направленості (СДН) по потужності, як для одновимірної, так і для двовимірної апертур. Виведені співвідношення дозволили визначити основні залежності для СДН по потужності з урахуванням статистичних параметрів турбулентної атмосфери приводного шару.
Діаграма направленості дводзеркальної антени при роботі її в умовах реальної атмосфери є функцією, як кутових координат крапки спостереження, так і часу. Отже, для її визначення необхідно вводити статистичні характеристики.
Спочатку, аналіз СДН по потужності двовимірної апертури зводився до аналізу СДН по потужності еквівалентної лінійної апертури, що не завжди вірно. Тому була розглянута СДН по потужності для колової синфазної апертури з урахуванням зміни амплітудно-фазового розподілу поля.
Згідно визначення СДН по потужності, для випадку гауссової моделі турбулентної атмосфери СДН по потужності була представлена в наступному вигляді:
, (1)
де:,; і — дисперсія і коефіцієнт просторової корреляції флуктуації фази; — масштаб розподілу поля в апертури антени, при амплітудний розподіл є рівномірним.
Скористувавшись заміною змінних: , , де — полярний кут в площині апертури, при цьому змінюється в межах від 0 2, а r змінюється від 0 до 2а, де а — радіус апертури, а також здійснюючи перехід від координат z1, y1 до полярних координат: і , тоді, при цьому межі зміни від 0 до 2; від 0 до а, отримаємо співвідношення (1) після перетворень в наступному вигляді:
, (2)
де — узагальнений кут; r0 – радіус просторової корреляції флуктуацій фази; а – радіус апертури;
.
Співвідношення (2) дозволило провести аналіз СДН по потужності двовимірної апертури з урахуванням впливу турбулентної атмосфери.
Також була визначена СДН по потужності для одновимірної апертурі. Необхідність розгляду СДН по потужності для одновимірних апертур була зумовлена тим, що оцінка статистичних характеристик двовимірних апертур зв'язана зі значними математичними труднощами. Тому дуже цікавим було дослідження статистичних характеристик одновимірних апертур, як з точки зору їхнього практичного застосування, так і з точки зору можливості заміни двовимірних апертур одновимірними і оцінки їх параметрів.
Згідно визначенню СДН по потужності, для випадку гауссової моделі турбулентної атмосфери, СДН по потужності лінійної апертури можливо навести в вигляді:
, (3)
де,=k a sin.
Після перетворень співвідношення (3) приводиться до наступного вигляду:
,(4)
Співвідношення (4) дозволило провести аналіз СДН по потужності одновимірної апертури з урахуванням впливу турбулентної атмосфери.
Особливе значення при побудові дводзеркальних антен має проблема дійсної оцінки коефіцієнту підсилення (КП), значення якого можуть бути значно менше очікуваних.
Виходячи з визначення КП як величини коефіцієнту направленої дії (КНД) D який помножено на КПД антени, при статистичному усередненні величини, що визначається <D> і її нормуванні відносно D0 - КНД в відсутності впливу зовнішніх чинників, аналіз КП антени G було проведено з точки зору зниження КНД антени.
Відносна величина втрат КП, визначалася в відповідності із наступним вираженням:
, де - визначає величину зниження КНД антени з урахуванням впливу зовнішніх чинників.
Згідно визначенню КНД антени як величини, що визначає відношення інтенсивності випромінювання в напрямку головного максимуму до середньої інтенсивності випромінювання, для випадку однорідної атмосфери:
, де - ДН по потужності; - характеризує інтенсивність випромінювання в головному напрямку до однорідної атмосфери отже, до <D> можемо записати:
, тоді
. (5)
Перший помножувач в (5) являє собою нормоване значення F(0,) інтенсивності випромінювання в головному напрямку, другий помножувач визначає відношення потужностей випромінювання - в однорідній атмосфері, до потужності випромінювання в турбулентній атмосфері.
В відповідності з співвідношенням (5) були проведені дослідження зменшення КНД системи в умовах неоднорідної атмосфери, а також втрат коефіцієнту підсилення.
В четвертій главі проведений чисельний аналіз СДН по потужності, як двовимірної, так і одновимірної апертур. Були прийняті межі зміни дисперсії фазових флуктуацій=0; 0.01; 0.1; 0.5; 1; 5; 10 (рад2); параметрів =0.01; 0.1; 0.5; 1; 2; 5; 10; =; 100; 10; 5; 2; 1.
Аналіз отриманих характеристик показав, що на СДН по потужності великий вплив виявляє співвідношення радіусу просторової корреляції фазових флуктуації до діаметру апертури . При цьому з зменшенням відбувається розширення головної пелюстки і зменшення інтенсивності випромінювання в основному напрямку.
На форму СДН по потужності також великий вплив виявляє форма амплітудного розподілу поля в апертурі.
Аналіз залежності інтенсивності випромінювання в головному напрямку від дисперсії фазових флуктуації показав, що інтенсивність випромінювання в головному напрямку зменшується із зміною форми амплітудного розподілу поля в апертурі антени, при зменшенні рівня поля до краю апертури до 38% інтенсивність випромінювання в головному напрямку зменшується на 3 дБ. Також досліджувалося відносне розширення діаграми направленості для одновимірної апертури у порівнянні з двовимірної апертурою, де - ширина ДН по рівню 0.5 в турбулентній атмосфері, і 0 - в однорідній атмосфері. Аналіз наведених залежностей показав, що заміна двовимірної апертури одновимірною, зважаючи на складність математичного апарату першої, не відбиває дійсної картини, бо відносне розширення СДН по потужності у одновимірної апертури більше, ніж у двовимірної.
Розрахунок зниження КНД проводився в залежності від до випадку при співвідношенні . Аналіз отриманих результатів показав, що до випадку слабких фазових флуктуації, т. Е., відбувається більш швидке збільшення втрат КНД при , ніж при , що пояснюється фізичною природою когерентності поля випромінювання.
Для випадку сильних фазових флуктуацій характер зміни зниження КНД призводить до того, що антена перестає випромінювати, і в той же час при втрати КНД складають 65% - 90%.
Аналогічні дослідження, проведені для розподілу поля, що спадає в апертурі, тобто , показали, що тимчасові зміни властивостей атмосфери в меншому ступені впливають на зниження КНД для антен з розподілом поля в апертурі, що спадає, у порівнянні з рівномірним. При цьому втрати КНД для випадку сильних фазових флуктуації при склали 10% - 25%
На рис.3,а-г наведені результати для оцінки зниження КНД в залежності від співвідношення , і , при цьому кожна крива побудована до заданої величини, а також. З рис.3,а,б слідує, що для малих радіусів корреляції , відбувається швидке зниження КНД з збільшенням . При радіусах корреляції зниження КНД не суттєве (рис.3,в,г).
Була встановлена залежність втрат підсилення антени від електричного розміру апертури , в умовах неоднорідної атмосфери. При цьому мала місце значна залежність втрат підсилення від дисперсії фазових флуктуації. В випадку сильних фазових флуктуації антена втрачає свої направленні властивості.
Аналіз результатів теоретичних досліджень показав, що середнє значення КНД істотно залежить від дисперсії фазових флуктуацій і радіусу просторової корреляції . При цьому, порівняння отриманих результатів зниження КНД для випадків рівномірного і спадаючого розподілень поля в апертурі антени показало, що у випадку спадаючого розподілу при тимчасових змінах властивостей атмосфери КНД був більш стійким.
В п'ятій главі обгрунтована методика експериментальних досліджень характеристик випромінювання дводзеркальних антен, при цьому сформульовані вимоги для вимірювального комплексу. В відповідності з даними вимогами в процесі експериментальних досліджень використовувався автоматизований вимірювальний комплекс, що дозволяв проводити вимір ДН в динамічному діапазоні близько 50 дБ, при цьому помилка амплітудних вимірів складала не більш 5%.
Експериментальні дослідження проводилися для двох антенних систем на основі великих дзеркал: збірного, що складався з шести сегментів, 2а=1,83м, F=0,576м, і цільного 2а=1,77м, F=0,64м. В ролі малих дзеркал використовувалися гіперболічні контррефлектори з ексцентриситетами 1,5 і 1,7 з фокусною відстанню f=5,9см.
Дослідження проводилися з використанням чотирьох опромінювачів, характеристики яких наведені в таблиці 1.
Таблиця 1
|
Опромінювач |
2b, м |
, рад |
q |
|
№1 — конічний рупор |
0.12 |
5/6 |
0.06 |
|
№2 — конічний рупор |
0.098 |
/4 |
0.02 |
|
№3 — конічний рупор із зломом, що утворить |
0.124 |
15.1 |
0.6 |
|
№4 — гофрований конічний рупор з насадкою |
0.15 |
0.06 |
Досліджувалися характеристики випромінювання системи, що опромінює, а також характеристики випромінювання дводзеркальної антенної системи.
Аналіз отриманих результатів показав, що вузьку діаграму направленості мають дводзеркальні системи побудованні при використанні расфазованих опромінювачів №3 і №4. При цьому ширина ДН склала 0,70,9. В дводзеркальних системах, що використовують опромінювачі з малими фазовими похибками, ширина ДН склала 1,11,3.
При використанні опромінювачів з малими фазовими похибками спостерігається зменшення рівня бокового випромінювання у порівнянні з розфазованими опромінювачами до -24дБ-27дБ, а також збільшення коефіцієнту підсилення системи до 39дБ.
Використання опромінювачів із спадаючим амплітудним розподілом в розкритті призводить до збільшення ширини ДН, зменшення рівня бокового випромінювання всієї системи.
Аналіз отриманих результатів показав, що в даних дводзеркальних системах доцільно використання малого дзеркала з ексцентриситетом е=1,7, що викликано тим, що відстань між опромінювачем і малим дзеркалом з ексцентриситетом е=1,7 більше ніж при використанні малого дзеркала з ексцентриситетом е=1,5.
При цьому кращі результати були отримані для дводзеркальних систем побудованих: на основі великого дзеркала збірної конструкції діаметром 1,83м, опромінювача №2 і малого дзеркала з ексцентриситетом е=1,7 (ширина ДН 0,9, РБП (рівень бокових пелюстків)-20дБ, коефіцієнт підсилення 39,7дБ), і на основі цільного великого дзеркала діаметром 1,77м, опромінювача №2 і малого дзеркала з ексцентриситетом е=1,7 (ширина ДС 1,3, РБП -28дБ, коефіцієнт підсилення 39,9дБ).
Коефіцієнт підсилення дводзеркальної системи, побудованої на основі великого дзеркала збірної конструкції діаметром 2а=1,83м, менше передбачуваного, що пояснюється нерівномірністю профілю дзеркала діаметром 2а=1,83м.
В відповідності з цим були проведені дослідження статистичних характеристик фазових флуктуацій, зумовлених неточністю виготовлення профілю основного дзеркала діаметром 2а=1,83м. При цьому середньоквадратичне відхилення фазових флуктуацій, викликаних відхиленням профілю дзеркала від ідеального, склало, в середньому, 2,28 рад., що відповідає 130. В відповідності з теоретичними розрахунками четвертої глави такі фазові флуктуації призводять до втрат коефіцієнта підсилення 6дБ7дБ, що підтверджується результатами експериментальних досліджень.
Основні результати і висновки
Розроблена математична модель для розрахунку дводзеркальної антени Кассегрена на основі геометрооптичного наближення, що дозволить покращити характеристики випромінювання шляхом оптимізації амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі великого дзеркала.
Отримані формули для розрахунку амплітудно-фазового розподілу поля поблизу поверхні малого і в апертурі великого дзеркал.
Проведені теоретичні дослідження залежності амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі великого дзеркала від геометричних параметрів системи що опромінює, а також від амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі первинного опромінювача. При цьому встановлено, що в амплітудно-фазовому розподілі поля в апертурі великого дзеркала виявляється вплив зон Френеля, тобто. розподіл амплітуд поля має нерівномірний характер, фазовий розподіл змінюється від 0 до 250. Збільшення ексцентриситету малого дзеркала призводить до того, що збільшується відстань між апертурою, що випромінює, і поверхнею малого дзеркала в результаті чого в амплітудної характеристиці існує менша кількість зон Френеля і відповідно зменшується набіг фази в межах апертури великого дзеркала.
Виведені формули для розрахунку середньої діаграми направленості по потужності одновимірної і двовимірної апертур, що враховують вплив турбулентної атмосфери.
Проведені теоретичні дослідження середньої діаграми направленості по потужності для одновимірної і двовимірної апертур. При цьому на СДН по потужності великий вплив виявляє співвідношення радіусу просторової корреляції фазових флуктуації до діаметру апертури . Причому, із зменшенням відбувається розширення головної пелюстки і зменшення інтенсивності випромінювання в основному напрямку. Заміна двовимірної апертури одновимірною не відбиває дійсної картини, бо відносне розширення СДН по потужності у одновимірної апертури більше, ніж у двовимірної.
Отримані основні співвідношення для середнього коефіцієнту направленої дії. Проведені теоретичні дослідження середнього КНД системи, а також втрат коефіцієнту підсилення. При цьому встановлено, що втрати КНД в значній мірі залежать від дисперсії фазових флуктуацій поля, а також співвідношення радіусу просторової корреляції до діаметру апертури. Виявлено, що на втрати КНД має вплив вигляд амплітудного розподілу поля в апертурі антени, таким чином при розподілі спадаючого поля в апертурі великого дзеркала втрати КНД на 50% менш, ніж при рівномірному.
Розроблена методика і проведені експериментальні дослідження характеристик випромінювання дводзеркальної антени. При цьому ширина ДН склала 0,700,9. Рівень бокового випромінювання-24дБ-27дБ, а коефіцієнт підсилення системи склав 39дБ.
9. Проаналізований вплив відхилення нерівномірності поверхні основного дзеркала на характеристики випромінювання антени. При цьому можливі втрати коефіцієнта підсилення склали близько 7дБ в результаті того, що фазові помилки поля викликані нерівномірністю поверхні склали 130.
Таким чином: застосування засобу геометрооптичного наближення дозволяє представити динаміку зміни амплітудно-фазового розподілу поля в апертурі основного дзеркала з урахуванням всіх геометричних і електричних характеристик системи, що опромінює. Отримані результати дозволяють провести оптимізацію геометричних параметрів дводзеркальної антенної системи по наступним характеристикам випромінювання: по рівню бокового випромінювання, ширині головної пелюстки діаграми направленості і коефіцієнту підсилення системи.
Зміст дисертації відбитий в наступних роботах автора:
Лобкова Л.М., Орлов Д.Т., Дроботов А.А. Анализ распределения плотности тока на поверхности малого зеркала. //Вестник СевГТУ. Вып.5: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: СевГТУ, 1997. - с. 101-105.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В. Применение метода геометрической теории дифракции для описания поля вблизи поверхности малого зеркала в антенне Кассегрена // Вестник СевГТУ. Вып.10: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: СевГТУ, 1997. - с. 144-148.
Дроботов А.А., Пирог А.В., Степанов Л.Н. Влияние френелевской зоны на распределение поля вблизи поверхности малого зеркала в двухзеркальной антенне // Вестник СевГТУ. Вып.10: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. - Севастополь: СевГТУ, 1997. - с. 125-130.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В. Влияние амплитудного распределения поля в апертуры дифракционной антенны на ее статистические характеристики излучения // Известия ВУЗов: Радиоэлектроника. - Киев: НТУУ “КПИ”, 1998. - №1. - с. 11-19.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В. Особенности статистических характеристик линейной апертуры, обусловленные спадающим амплитудным распределением поля источников // Известия ВУЗов: Радиоэлектроника. - Киев: НТУУ “КПИ”, 1998. - №3. - с. 3-11.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В., Степанов Л.Н. Синтез облучающей системы со смещенной фокальной осью до квазипараболических зеркал // Труды 3-й международной научно – технической конференции по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию. - Одесса, 1997. - с.405-408.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В., Степанов Л.Н. Оптимизация параметров одно и многоэлементного облучателя до короткофокусных двухзеркальных антенн // Труды 3-й международной научно – технической конференции по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию. - Одесса, 1997. - с.409-412.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В., Степанов Л.Н. Синтез облучающей системы со смещенной фокальной осью до параболических короткофокусных зеркал // Труды 7-й международной научно – технической микроволновой конференции: СВЧ – техника и коммуникационные технологии. - Севастополь, 1997. - с.526-528.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В. Влияние спадающего амплитудного распределения поля на основные статистические характеристики излучения двумерных апертур // Труды 7-й международной научно – технической микроволновой конференции: СВЧ – техника и коммуникационные технологии. - Севастополь, 1997. - с.524-525.
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В. Статистические оценки основных характеристик излучения двумерных апертур со спадающим амплитудным распределением поля // Труды международной конференции по теории и технике антенн. - Киев, НТУУ “КПИ”, 1997. - с.24-26
Лобкова Л.М., Дроботов А.А., Пирог А.В. Оценка потерь усиления двухзеркальной антенны для заданного амплитудно-фазового распределения поля в ее апертуре // Известия ВУЗов: Радиоэлектроника. - Киев: НТУУ “КПИ”, 1999. - №5. - с. 11-18.
Дроботов А. А. Оптимізація характеристик випромінювання суднових антен супутникових систем радіозв'язку. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 – Антени та прилади мікрохвильової техніки. – Севастопольський державний технічний університет, Севастополь, 1998.
Дисертація присвячена питанням оптимізації характеристик випромінювання супутникових антен суднового радіозв'язку. В роботі розробляється нова математична модель дифракційних антен, що дозволяє врахувати той факт, що елементи антенної системи розміщені в зоні Френеля. Це дасть можливість провести оптимізацію характеристик випромінювання дводзеркальних антен. Також отримані співвідношення, що дозволять отримати характеристики випромінювання антенної системи з урахуванням впливу параметрів приводного шару дійсної атмосфери, що дуже важливо при проектуванні антенних систем супутникового радіозв'язку. Проведене експериментальне підтвердження розробленої моделі. Основні результати роботи знайшли застосування при проектуванні дводзеркальних антен супутникового зв'язку.
Ключові слова: математична модель, дійсна атмосфера, характеристики випромінювання, аналіз, дифракційна антенна.
Дроботов А.А. Оптимизация характеристик излучения судовых антенн спутниковых систем радиосвязи. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 – Антенны и устройства микроволновой техники. – Севастопольский государственный технический университет, Севастополь,1998.
Диссертация посвящена вопросам оптимизации характеристик излучения спутниковых антенн судовой радиосвязи. В первой главе диссертационной работы рассмотрены основные требования предъявляемые к антеннам судовой спутниковой радиосвязи, проведен обзор существующих типов антенн судовой спутниковой радиосвязи. Также рассмотрены основные методы расчета поля в апертуре дифракционных антенн и статистических характеристик излучения. Во второй главе произведен выбор основных геометрических параметров облучающей системы. Рассмотрены вопросы построения зонтичных антенн особенности их конструктивного исполнения и особенности расчета характеристик излучения. Получены основные соотношения для расчета амплитудно-фазового распределения поля в апертуре двухзеркальной антенны построенной по схеме Кассегрена и произведен анализ возможных амплитудно-фазовых распределений поля. В третей главе получены соотношения для средней диаграммы направленности по мощности двумерной и одномерной апертур, среднего коэффициента направленного действия и потерь коэффициента усиления. Проведен сравнительный анализ средней диаграммы направленности по мощности двумерной и одномерной апертур. Определены основные соотношения для оценки дисперсии флуктуаций направления главного максимума диаграммы направленности. В четвертой главе проведены численные исследования средней диаграммы направленности по мощности двумерной и одномерной линейной апертур и проведен их сравнительный анализ. Проведены исследования уменьшения среднего КНД в условиях реальной атмосферы, а также оценка потерь коэффициента усиления. В пятой главе рассмотрены методы измерения основных характеристик излучения двухзеркальных антенн. Сформулированы основные требования к автоматизированному измерительному комплексу. Проведены экспериментальные исследования характеристик излучения облучающей системы и характеристик излучения двухзеркальных антенн с цельным большим зеркалом диаметром 1,77м и сборным диаметром 1,83м. Проведен анализ влияния статистических характеристик, обусловленных неточностью изготовления профиля большого зеркала, на характеристики излучения системы.
В диссертационной работе разработана математическая модель для расчёта двухзеркальной антенны Кассегрена на основе геометрооптического приближения. Проведены теоретические исследования зависимости амплитудно-фазового распределения поля в апертуре большого зеркала от геометрических параметров облучающей системы. Выведены формулы для расчёта средней диаграммы направленности по мощности одномерной и двумерной апертур. Проведены теоретические исследования средней диаграммы направленности по мощности для одномерной и двумерной апертур. Получены основные соотношения для среднего коэффициента направленного действия. Проведены теоретические исследования среднего КНД системы, а также потерь коэффициента усиления. Проанализировано влияние отклонения неравномерности поверхности основного зеркала на характеристики излучения антенны. Основные результаты работы нашли применение при проектировании двухзеркальных антенн спутниковой связи.
Ключевые слова: математическая модель, реальная атмосфера, характеристики излучения, анализ, дифракционная антенна.
Drobotov A.A. Optimization of radiation characteristics of ship antennas for radio communication satellite systems. - Manuscript.
Thesis for a candidates degree of engineering science by specialty 05.12.07 - Antennas and devices of a microwave engineering. - Sevastopol state engineering university, Sevastopol, 1998.
The dissertation is devoted to the problems of radiation characteristics of ship antennas for radio communication satellite antennas. In the work the new mathematical model of diffraction antennas has been developed. The model allowed to take into account the fact that antenna system elements are located in the Frenell zone. Therefore, it was possible to carry out optimization of radiation characteristics of two-mirror antennas. Taking into account sea surface influence expressions for radiation characteristics of an antenna system have been obtained. The formulas are very important for design of satellite radio communication antenna systems. The experimental confirmation of the developed model has been obtained. The basic results of the work have been found a use for design of satellite communication two-mirror antennas.
Key words: a mathematical model, real atmosphere radiation characteristics, analysis, diffraction antenna.