WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ  ВАЛЕНТИН  АЛЕКСАНДРОВИЧ

АНТЕННЫ  И  АНТЕННЫЕ  СИСТЕМЫ

ДЛЯ  ЗАГОРИЗОНТНЫХ  РЛС

Специальность 05.12.07 –

Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2012 г.

Работа выполнена на кафедре Антенных устройств и распространения радиоволн ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Сазонов Дмитрий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Курочкин Александр Петрович

доктор технических наук, профессор

Гусевский Владлен Ильич

доктор технических наук, профессор

Шустов Эфир Иванович

Ведущая организация:

ОАО «Радиотехнический институт»

им. академика А.Л. Минца(г.Москва)

Радиотехеский институт им. А.Л. Минца

Защита состоится ___________________ в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

Автореферат разослан « »_____________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы. Диссертация носит научно-практический характер и направлена на решение крупных научно-технических задач, имеющих большое народно-хозяйственное значение. Она посвящена вопросам оптимального проектирования сверх-широкополосных передающих и приемных антенн и активных антенных систем КВ диапазона для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной (земной) волны. Оптимальность подразумевает получение наилучших технических характеристик при предельно сниженных материальных затратах. В основу предлагаемой методики по проектированию и созданию новых конструкций КВ антенных систем положены:

  1. Обобщение опыта многолетних исследований автора, включая запатентованные и успешно реализованные технические решения.
  2. Численные методы машинного моделирования с использованием сертифици-рованных математических моделей.
  3. Полученные автором достаточно простые инженерные соотношения, позволяющие проектировать оптимальные АФУ.

Актуальность темы. Большинство эксплуатируемых в настоящее время РЛС работают в пределах прямой видимости и для своевременного обнаружения целей они должны располагаться вблизи границ, что затрудняет их защиту и обслуживание. Кроме того, в связи с небольшой дальностью действия таких РЛС, определяемой высотой антенн, их количество должно быть достаточно большим, чтобы закрыть все границы. Разумной альтернативой являются загоризонтные (ЗГ) РЛС, работающие в диапазоне коротких волн (КВ), т.е. на частотах от 3 до 30 МГц.

Само название загоризонтных РЛС говорит об их возможности обнаруживать цели за линией горизонта. При построении загоризонтных РЛС используется свойство отраже-ния волн КВ диапазона от ионосферы – в случае загоризонтных РЛС пространственной волны или малые потери в морской поверхности – в случае загоризонтных РЛС поверхностной волны.

Благодаря использованию в загоризонтных РЛС волн КВ диапазона удается обнаруживать цели, выполненные с применением технологии «Стелсс».

       Как правило, загоризонтные РЛС пространственной волны располагаются внутри страны и, следовательно, лучше защищены, а благодаря большой дальности действия (~ 3500 км) и соответственно охвату значительных территорий, их количество может быть сведено до минимума – т.е. всего несколько РЛС на всю территорию страны. Поэтому, несмотря на достаточно высокую стоимость таких РЛС, актуальность создания загоризонтных РЛС сохраняется и по настоящее время. Кроме того, такие РЛС могут использоваться и при сопровождении гражданских самолетов над малонаселенными территориями страны.

       В случае загоризонтных РЛС поверхностной волны, располагаемых у морской поверхности и служащих для наблюдения за морскими объектами, дальность действия составляет ~ 350 км. Эти РЛС могут широко использоваться и в мирных целях при геофизических исследованиях морей и океанов, что активно реализуется в последнее время.

При создании загоризонтных РЛС существенное значение имеют два обстоятельства. Во-первых, возможности ЗГ РЛС по дальности действия и точности определения координат наблюдаемых объектов напрямую зависят от таких параметров антенн как: ширина луча, коэффициент усиления, сектор обзора (сканирования ДН), полоса рабочих частот, согласование с передатчиком. Во вторых – поскольку загоризонт-ные РЛС работают в КВ диапазоне, то конструкции их антенн и антенных систем оказываются достаточно громоздкими, что и определяет их большую стоимость, которая в общей стоимости РЛС может достигать (40…50)%. Поэтому разработка и исследование новых принципов и схем построения оптимальных (с точки зрения материальных затрат) антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны является актуальной задачей, имеющей большое народно-хозяйственное значение.

       Еще одной особенностью антенн КВ диапазона является трудность измерения их внешних характеристик в условиях реальной местности. Для этих целей необходимо создание сложных и дорогостоящих летных измерительных комплексов. При этом, в отличие от СВЧ антенн, не все характеристики КВ антенн можно измерить на их электродинамических моделях, поскольку масштаб моделирования оказывается очень большим и возникают трудности с практической реализацией таких моделей и их адекватностью с реальной антенной. Кроме того, исключается и возможность смоделировать влияние реальной почвы на внешние характеристики КВ антенн. Также не моделируется и влияние на характеристики приемных антенн внешних, атмосферных и галактических шумов.

Все перечисленные трудности создания подобных антенн и антенных систем выдвигают повышенные требования к их оптимальному проектированию. При этом практически единственным инструментом исследования подобных антенн является проведение численного моделирования с использованием компьютерных моделей.

В настоящее время отсутствует необходимая специальная литература, а также достаточно подробная и обоснованная методология оптимального проектирования подобных антенных систем, что приводит, в ряде случаев, к неоправданно большим затратам и построению не всегда качественных изделий.

Решению задач оптимального проектирования новых КВ антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС, а также ликвидации пробелов в специальной литературе и посвящена настоящая работа.

Целями диссертационной работы являются:

1) Разработка и исследование новых принципов построения оптимальных передающих и приемных сверхширокополосных антенн и активных антенных систем для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны.

2) Разработка методологии их проектирования и исследования.

3) Реализация методологии проектирования в ряде новых запатентованных конкретных устройств.

Методика исследования. Общая методика исследований, в силу отмеченных выше экспериментальных трудностей, базируется, в основном, на процедуре численного моделирования.

Сравнительные исследования показали, что для этих целей наиболее подходящим является достаточно мощный сертифицированный программный комплекс MMANA, разработанный японским программистом Макото. В программе MMANA используется ядро MININEC, в котором производится численное решение интегрального уравнения, составленного относительно токов, текущих в проводах антенны. Решение ищется в тонкопроволочном приближении с помощью метода моментов. Таким образом, антенны КВ диапазона, выполняемые, как правило, из тонких проводов (rп<<), наиболее полно отвечают требованиям программы, что и позволяет получать результаты расчетов, хорошо совпадающие с экспериментальными данными.

В тех случаях, где не требуется учитывать влияние земли на характеристики антенн, исследования проводятся на физических моделях (макетах).

Научная новизна работы состоит в следующем:

– исследована и обоснована, предложенная автором, новая схема оптимального построения сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных фазированных антенных решёток (АФАР) диапазона КВ, обеспечивающая наилучшие технические характеристики при максимально сниженных материальных затратах;

– исследована и обоснована, предложенная автором, новая схема построения сверх-широкополосной активной антенной системы, позволяющая расширить в ~ 2 раза (с 40 % до 80 %) полосу электронной перестройки частоты передатчиков (усилителей мощности) в передающей АФАР, либо приемников (приемных каналов) в приемной АФАР и, тем самым, повысить дееспособность РЛС;

– разработан и исследован, предложенный автором, новый алгоритм  согласования по шумам в приемных антеннах КВ диапазона;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной антенны КВ диапазона с управляемой поляризацией (Патент  № 62740); результаты численного моделирования подтверждены экспериментом;

– разработана и исследована компьютерная модель для новой сверхшироко-полосной антенны вертикальной поляризации, в которой используются симметричные, укороченные в ~ 2 раза вибраторы с Тобразными плечами (Патент № 93590);

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной совмещенной приемной антенной системы вертикальной

поляризации для загоризонтных РЛС поверхностной волны;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной совмещенной приемной антенной системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной передающей антенной системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой специфической антенны, устанавливаемой на геофизических ракетах (Авторское свидетельство № 1401534);

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой передающей антенны, устанавливаемой на специальный спутник Земли (Авторское свидетельство № 1302966).

Практическая  ценность  полученных в работе результатов заключается в следующем:

– с помощью предложенной и разработанной автором методики была спроекти-рована оптимальная сверхширокополосная передающая антенная система для загоризонт-ной РЛС пространственной волны и в настоящее время завершается её строительство;

– ведется проектирование новой сверхширокополосной передающей антенной системы с использованием в ней предложенных автором новых сверхширокополосных малогабаритных излучателей и схемы двухкратного расширения полосы электронной перестройки частоты;

– с помощью предложенной автором новой специальной приемной измерительной антенны для геофизических ракет, были проведены измерения высотного распределения электро-магнитного поля, излучаемого передающим АФУ в загоризонтной РЛС пространственной волны;

– с помощью предложенной автором новой передающей антенной системы для специального спутника Земли, была проведена калибровка приемного АФУ в загоризонтной РЛС пространственной волны и проведено исследование характеристик распространения радиоволн КВ диапазона;

– большое количество публикаций по рассматриваемым в диссертации вопросам позволяет в какой-то мере заполнить существующий в настоящее время пробел в специальной литературе по проектированию АФУ для загоризонтных РЛС.

       Внедрение результатов работы:

– предложенная и разработанная автором методология оптимального проектирования передающих и приёмных антенных систем, использовалась в ОАО «НПК «НИИДАР» при создании загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны, о чём свидетельствуют 3 акта внедрения результатов диссертационной работы в разработках ОАО «НПК «НИИДАР»;

– с помощью предложенной автором новой рамочной измерительной антенны, устанавливаемой на геофизических ракетах, проводились лётные испытания передающих антенных систем загоризонтных РЛС пространственной волны путем измерений высотного распределения электромагнитного поля, а также исследовались характеристики распространения радиоволн в условиях ионосферы;

– предложенная автором новая передающая антенная система, установленная на специальном спутнике Земли, позволила провести калибровку приемной антенной системы загоризонтной РЛС пространственной волны, а также провести исследования по распространению радиоволн в верхних слоях атмосферы.

Достоверность результатов подтверждена экспериментально, а также путем проведения летных испытаний и измерения радиотехнических характеристик на уже построенных объектах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXVIII международной конференции «Теория и техника антенн», г. Москва, 1998 г., на XII, XV и XVI международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж, в 2006 г., 2009 г. и 2010 г., на VIII международном симпозиуме "Электромагнитная совместимость и экология" г. Санкт-Петербург, 2009 г., а также были опубликованы в журналах «Электросвязь» в 1991 г. и «Антенны» (входит в перечень ВАК) в период с 2006 по 2011 г.г. включительно.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Новые принципы построения оптимальных (с точки зрения как технических характеристик, так и материальных затрат) сверхширокополосных и сверхширокоугольных антенных систем.

2. Новая схема сверхширокополосной активной ФАР с двухкратным расширением полосы электронной перестройки частоты (с ~ 40 % до ~ 80 %).

3. Исследование влияния асимметричного противовеса на угломестные ДН несимметричных

излучателей вертикальной поляризации.

4. Исследование новой сверхширокополосной симметричной передающей антенны вертикальной поляризации с уменьшенными в ~2 раза вертикальными габаритами.

5. Методология согласования по шумам входов элементов АФУ для приёмных антенн КВ диапазона.

6. Исследование новых сверхширокополосных приемных антенных систем КВ диапазона с совмещенным размещением излучателей различных поддиапазонов.

7. Исследование специфических измерительных антенн для геофизической ракеты и спутника Земли.

Структура диссертации. Текст работы содержит введение, 3 главы, заключение и список литературы (96 наименований) и приложения, содержащие 3 акта внедрения и расчёт показателей качества для целевой функции. Общий объем работы 300 страниц.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, 3-х глав и заключения. Во введении дается краткий обзор как отечественных, так и зарубежных разработок антенных систем для загоризонтных РЛС. В 3-х главах работы рассматриваются как общие принципы построения сверхширокополосных антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС, так и некоторые особенности построения антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС поверхностной и пространственной волны. В заключении отмечаются основные результаты работы, включая краткие формулировки предлагаемой методологии проектирования и оптимизации антенных систем для загоризонтных РЛС.

Глава 1 Основные принципы построения антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС

В разделе 1.1 исследуются схемы построения сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных ФАР. Под активными ФАР (АФАР) будем понимать ФАР, в которых каждый из излучателей подключен к своему активному элементу – передатчику или приемнику. К сверхширокополосным антеннам будем относить все антенны, работающие в диапазоне рабочих частот (ДРЧ) с коэффициентом перекрытия tдрч >> 1,41, а к сверхшироко-угольным антеннам будем относить антенны с сектором обзора 2 >> 60°. При этом, антенны с tдрч  1,41 – будем называть широкополосными, а антенны с 2  60° – широкоугольными.

Для обеспечения стабильных радиотехнических характеристик (РТХ) во всем ДРЧ,

в случае сверхширокополосных антенн, весь ДРЧ разбивается на “М” поддиапазонов (литеров). В результате вместо одной антенны будем иметь “М” электродинамически подобных антенн, т.е. антенную систему с коэффициентом перекрытия каждого из литеров, равным tл =  (tдрч)1/М.

Аналогичным образом поступим и со сверхширокоугольными антеннами (2 = 120°) или антенными системами (АС), разделив их на две одинаковые подрешетки. На рис. 1.1 приведен вариант сверхширокополосной и сверхширокоугольной антенны. На рис. 1.2 приведен возможный вариант её реализации в виде оптимизированной антенной системы, состоящей из двух подрешеток с секторами обзора по 60°, развернутых друг относительно друга на угол 120°.

Рисунок 1.1 – Схема обычной однолитерной сверхширокополосной

и сверхширокоугольной АФАР (tдрч=2; 2= 120°)

Рисунок 1.2 – Схема оптимальной сверхширокоугольной и сверхширокополосной

двухлитерной АФАР (tл=1,41; 2= 260°)

Оптимальное (относительное) количество излучателей в линейной ФАР можно определить по формуле:  (NИ/N0)= t л·(max);  и  N0= 51°/Ф°доп. ;

где         Ф°доп. – максимально-допустимая ширина ДН, т.е. 2·0,7 Ф°доп;

2·0,7 – ширина ДН (по уровню 0,707);

       (max)=(1+|sinmax |) / cosmax,  где max – макс. угол сканирования.

Сравнивая схемы на рис. 1.1 и 1.2, получим NИ 1 3·NИ 2.

Таким образом, при переходе от варианта АФАР по рис. 1.1 к АФАР по рис. 1.2, удается в ~3 раза уменьшить количество активных элементов (АЭ) и снизить на 13 % стоимость антенной системы, несмотря на увеличение общего количества излучателей в схеме рис. 2 на ~33 %. Уменьшение стоимости антенны происходит за счет снижения стоимости излучателей ВЧ литера в t3л раз (относительно излучателей НЧ литера). Стоимость излучателя (Sи) определяется его объемными габаритами, которые пропорциональны 3макс л, т.е. Sи=А·3макс, где А – коэффициент пропорциональности. Поэтому излучатели ВЧ литера будут стоить в t3л раз меньше, чем излучатели НЧ литера. В таблице 1 приведены результаты сравнения других вариантов АС.

       Для проведения процедуры оптимизации АС, с позиций минимизации затрат при сохранении заданных требований, составляется целевая функция С(М) в виде произведения 6-ти относительных показателей качества, характеризующих: K1 – стоимость всех излучателей; K2 – площадь, занимаемая АС; K3 – длина раскрыва АС; K4 – количество активных элементов; K5 – неравномерность КНД в диапазоне рабочих частот; K6 –длина всех фидеров.

       Критерием оптимизации является условие, что во всем диапазоне частот и секторе обзора ширина ДН – 2·0,7 Ф°доп.

       Минимум целевой функции определяется графически для различных значений параметра  tдрч. Результаты оптимизации в виде зависимости М(tдрч) приведены на рис. 1.3.

Таблица 1 Результаты сопоставления различных вариантов схем АФАР

в случае линейных антенных решеток

пп

Тип

СШП

СШУ

СШУ и СШП

Наименование

ЛАР

АС

ЛАР

АС

ЛАР

АС

Вариант

1

2

3

4

5

6

1

Коэфф. перекрытия ДРЧ, t дрч

2

1,41

1

1

2

1,41

2

Количество литеров (поддиапазонов), М

1

2

1

1

1

2

3

Максимальный угол сканирования, макс 

±60°

±30°

±60°

±30°

4

Количество подрешеток, Т

1

1

1

2

1

2

5

Угловая функция, (макс)

1

1

3,73

1,73

3,73

1,73

6

Количество излучателей в АР, Nи

2N0

1,41N0

3,73N0

1,73N0

7,46N0

2,44N0

7

Общее количество излучателей в АФАР, N

2N0

2,82N0

3,73N0

3.46N0

7,46N0

9,76N0

8

Выигрыш в стоимости активных элементов (АЭ)

NАЭ1/NАЭ2 = 1,41

NАЭ3/NАЭ4 = 2,16

NАЭ5/NАЭ6 = 3,06

9

Выигрыш

в стоимости излучателей

S1/ S2 = 1,05

S3/ S4 = 1,08

S5/ S6 = 1,13

Условные обозначения:

СШП и СШУ – сверхширокополосная и сверхширокоугольная АФАР;

ЛАР – линейная антенная решетка;

АС – антенная система, объединяющая несколько антенных решеток;

Nаэ – количество активных элементов, причем Nаэ = Nи;

S – относительная стоимость излучателей.

       

Рисунок 1.3 Оптимальное количество литеров АС

Как следует из рис. 1.3 оптимальная величина коэффициента перекрытия литера (поддиапазона частот) равна  tл1,6.

В целях расширения полосы электронной перестройки частоты в сверхшироко-полосной антенной системе в ~ 2 раза, используется 2 комплекта АЭ. На рис. 1.4  в качестве примера приведена схема антенной системы в случае коэффициента перекрытия ДРЧ, равного 4 и коэффициента перекрытия ДРЧ одного литера, равного 1,41.

и                        

Рисунок 1.4 – Схема реализации удвоенной полосы электронной перестройки и уменьшения неравномерности внешних характеристик в сверхширокополосной АФАР.

В результате одновременной работы 2-х комплектов АЭ полоса электронной перестройки увеличивается в 2 раза.

В разделе 1.2 рассматриваются однонаправленные излучатели для приемных антенн КВ диапазона. В частности доказывается преимущество использования кардиоидных излучателей (КИ) по сравнению с традиционным способом создания однонаправленного излучателя путем расположения вибратора перед апериодическим рефлектором. Схема кардиоидного излучателя, т.е. излучателя с кардиоидной ДН, приведена на рис. 1.5.

СТУ – симметрирующе-трансформирующее устройство;

ЛЗ  – линия задержки с Ф=–к·d;

СРБ – суммарно-разностный блок;

СН – согласованная нагрузка;

d  – расстояние между вибраторами.

  Рисунок 1.5 – Однонаправленный кардиоидный излучатель

Недостатком КИ является его сравнительная узкополосность. При tдрч=4 потери в КИ достигают ~9 дБ. Поэтому оптимальным tл можно считать tл=1,4. В этом случае потери не превысят ~1дБ. График коэффициента передачи в КИ приведен на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 – Коэффициент передачи в кардиоидном излучателе

Раздел 1.3 посвящен очень важному вопросу – согласованию по шумам излучателей приемной антенны. В диапазоне КВ внешние (атмосферные и галактические) шумы во много раз превышают собственные шумы приемника, пересчитанные к его входу. В результате значительная часть динамического диапазона приемника оказывается заполнена внешними шумами.

Для восстановления динамического диапазона приемника в излучатель приемной антенны вносят потери, т.е. уменьшают её КПД. Для снижения КПД приемной антенны можно не вводить активные потери, а использовать рассогласованные излучатели. В этом случае одновременно решается и задача снижения стоимости приемной антенны за счет использования укороченных (по сравнению с резонансными) рассогласованных излучателей.

Используя одно из основных выражений для приемной антенны:

       где Рс  и Рш — мощность сигнала и шумов на входе приемника, Вт;

  Пс  — плотность потока вектора Пойтинга у приемной антенны, Вт/м2;

  Sэф — эффективная площадь приемной антенны, м2;

  k =1,38·10-23 — постоянная Больцмана, Вт/Гц·К;

  fш — шумовая полоса пропускания приемника, Гц;

  T0 = 288 К — стандартная абсолютная температура окружающей среды ;

  tа=Та/То — относительная температура внешних;

  tпр=Тпр/То — относительная шумовая температура приемника;

      — КПД антенны.

Под КПД антенны будем понимать произведение: = п ·р,

где п  — КПД омических потерь (полагаем для простоты п =1);

  р — КПД обусловленный рассогласованием антенны с нагрузкой.

  р=1–|А|2 где А – коэффициент отражения от входа антенны.

Введём параметр , характеризующий величину допустимых потерь отношения  (Рс/Рш) в случае замены согласованных (резонансных) излучателей с Р=1, на укороченные (рассогласованные) излучатели с Р<1

=

В результате допустимый КПД приемной антенны для случая =0,8 (или ~1 дБ) при tа>>tпр будет равен:        д   4· tпр / tа , а КСВ вибратора: КСВд tа / tпр

На рис. 1.7 приведены допустимые потери на рассогласование для tпр=25 и tа из таблицы 2.

Рисунок 1.7 – Допустимые потери в дБ

Таблица 2 – Обобщенные опытные данные по  внешним шумам

f, МГц

3

10

30

3·104

3·103

3·102

В результате согласования по шумам удается в НЧ области КВ диапазона в несколько раз уменьшить длины вибраторов (по сравнению с резонансными). Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить стоимость приемной антенны. Методика согласования по шумам заключается в определении д и допустимого КСВ вибратора при условии, что дополнительные потери (за счет перехода от резонансных вибраторов к укороченным), не превысят ~1 дБ. Зная допустимый КСВ вибратора, можно определить его размеры. При этом необходимо учитывать и коэффициент передачи кардиоидного излучателя, зависящий от tл.

Раздел 1.4 посвящен анализу взаимодействия передатчиков в АФАР. В диапазоне СВЧ все передатчики, подключенные к излучателям АФАР, имеют на своих выходах циркуляторы, которые отраженную от антенны волну направляют в согласованную нагрузку. В результате все передатчики в такой АФАР, несмотря на то, что они работают на общую нагрузку, оказываются развязанными друг относительно друга и не взаимодействуют между собой.

В диапазоне КВ циркуляторы отсутствуют и в результате все передатчики АФАР взаимодействуют. Поэтому изменение режима работы одного из них ведет к изменениям режима в остальных передатчиках и, как следствие, к изменению амлитудно-фазового распределения в раскрыве антенны и, соответственно, к изменению внешних характеристик АФАР.

Поэтому в диапазоне КВ для стабилизации заданного АФР в каждом из передатчиков применяется схема автоматического поддержания заданных значений амплитуды и фазы падающей волны на его выходе. Однако, при этом, передатчик должен иметь соответствующий запас по выходной мощности. Так например, при КСВ=2, выходная мощность передатчика должна иметь двукратный запас, по сравнению с режимом работы на согласованную нагрузку.

В разделе 1.5 предложен алгоритм реализации заданного амлитудно-фазового распределения в АФАР для КВ диапазона, т.е. когда все передатчики взаимодействуют между собой. И поскольку каждый из передатчиков имеет свою цепочку регулирования амплитуды и фазы сигнала на своем выходе, то при их одновременной работе в условиях малого количества излучателей в АР, возможен режим неустойчивой работы всех передатчиков, т.е. система регулирования может оказаться в неустойчивом состоянии. Поэтому, для реализации в этом случае заданного амлитудно-фазового распределения используется матрица рассеяния рассматриваемой АР.

Глава 2 Исследование антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС поверхностной волны

       Отличительной особенностью антенн поверхностной волны является тот факт, что при их работе не требуется наличие ионосферы, а те волны, которые все же попали на ионосферу и отразились от нее, являются помехой при работе с поверхностной волной. Поэтому к антеннам поверхностной волны предъявляется требование по минимизации излучения под высокими углами места. Кроме того, для работы на поверхностной волне необходима вертикальная поляризация, а для снижения потерь при её распространении антенны располагаются в непосредственной близости от морской поверхности.

       

В разделе 2.1 анализируются особенности расчета и измерения угломестных ДН (УМ ДН) антенн поверхностной волны, поскольку именно на эти характеристики большое влияние оказывают параметры почвы, на которой расположена антенна. Поверхностная (земная) волна распространяется в пределах некоторого слоя, расположенного, в основном, в непосредственной близости от импедансной поверхности. Высота этого слоя

определяется комплексной диэлектрической проницаемостью среды.

       Принимая во внимание то обстоятельство, что на малых расстояниях от антенны, почва может считаться идеально проводящей, в качестве исходных характеристик антенны, при расчете УМ ДН, можно использовать ее характеристики над идеальной землей.

       Расчет угломестных ДН с учётом влияния почвы производится лишь в пределах прямой видимости и для углов места 1°, т.е. в случае, когда справедливо плоское приближение Земли, а для области, находящейся ниже линии горизонта – используется формула В.А. Фока.

       Для измерения УМ ДН антенн поверхностной волны, при малых углах места (), необходимо отойти от антенны на расстояние, превышающее расстояние до её дальней зоны, т.е. на такое расстояние, при котором будет обеспечиваться полное формирование УМ ДН, а именно за границы 1-ой зоны Френеля (2а1): R2а13300· / (°)2.

В разделе 2.2 исследуется влияние размеров асимметричного противовеса на УМ ДН антенн поверхностной волны. Во многих отечественных и зарубежных антеннах поверхностной волны, для уменьшения вертикальных размеров антенны, используют несимметричные вибраторы с наземным рефлектором – противовесом. В случае несимметричного вибратора противовес является как бы вторым плечом вибратора и по нему протекает весь ток вибратора. Если радиус противовеса rпр>/4, то такой противовес начинает довольно сильно влиять на УМ ДН. В результате её максимум (max) приподнимается над землей, а в направлении поверхности – ориентирован скат УМ ДН, что снижает эффективность возбуждения поверхностной волны. Положение max, в зависимости от rпр, оценивается с помощью приближенного выражения:                сos max 1 – 0,375 / rпр         при  rпр  0,4

На рис. 2.1 приведены результаты измерения УМ ДН на модели несимметричного вертикального вибратора с осесимметричным противовесом при  rпр=/4 и rпр=/2, подтверждающие влияние радиуса противовеса на УМ ДН – подъем максимума УМ ДН и ослабление излучения при  =0 в случае rпр=/2.

Рисунок 2.1 – Результаты измерений (+ + + ) и расчётов УМ ДН

для несимметричного (/4) вибратора  с симметричным противовесом

(верхнее полупространство)

При асимметричности противовеса, имеющем место в случае  однонаправленных излучателей – например кардиоидный излучатель (см. рис. 2.2), кроме вышеприведенных искажений УМ ДН, происходит также и излучение в зенит.

Рисунок 2.2 – Кардиоидный излучатель с асимметричным противовесом

На рисунке 2.3 приведены некоторые результаты расчета УМ ДН в этом случае.        

 

f = 5,0  МГц;

R/ = 1,25;

Gmax(30,3)  =  7,12  дБ;

G(=0°)  =  -5,0  дБ.

 

  f  = 10,0 МГц;

R/  =  2,5;

  Gmax(20,5)  = 7,94  дБ;

  G(=0°)  =  -4,8  дБ.

Рисунок  2.3 –  Расчётные УМ ДН для кардиоидного излучателя

с асимметричным противовесом длиной 80 м

Таким образом, использование несимметричных вибраторов в антенне поверхностной волны нецелесообразно как с точки зрения неэффективности возбуждения поверхностной волны, так и с точки зрения повышения излучения под верхними углами места, что способствует появлению ионосферных помех.

В разделе 2.3 исследуются способы уменьшения влияния наземного рефлектора на УМ ДН и КУ в случае несимметричного и симметричного вибраторов. При этом, для простоты, рассматривается ненаправленный в азимутальной плоскости излучатель с осесимметричным рефлектором (см. рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Внешний вид наземных рефлекторов

На рис. 2.5 приведены УМ ДН для несимметричного вибратора с осесимметричным рефлектором различных радиусов (от 0,25 до 2,0), а на рис. 2.6 приведены те же ДН в случае, когда рефлектор разрезан на несколько концентрических колец шириной ~/4.

Рисунок 2.5 – УМ ДН несимметричного вибратора с противовесом («сплошным»)

Рисунок 2.6 – УМ ДН несимметричного вибратора после «разрезания» противовеса на максимальное число концентрических полос шириной по /4

В результате такого разрезания всего рефлектора происходит стабилизация КУ антенны и ориентация максимума ДН в направлении горизонта (=0°), а также уменьшение излучения в околозенитную область углов места. При этом наиболее существенное улучшение внешних характеристик имеет место в случае симметричного вибратора.

В разделе 2.4 исследуется новая (Патент №62740) сверхширокополосная передающая антенна КВ диапазона с управляемой поляризацией. Антенна выполнена в виде 2-х ортогональных друг другу логопериодических вибраторных антенн (ЛПВА). При этом плоскости этих ЛПВА наклонены относительно плоскости Земли на угол 45° (см. рис. 2.7).

Рисунок 2.7 – Общий вид и фрагмент сверхширокополосной антенны

с управляемой поляризацией

Каждая из ЛПВА запитывается от своего передатчика. В результате задания сдвига фаз между передатчиками: в 0°; 180° и 90° поле, излучаемое антенной, будет иметь: вертикальную, горизонтальную или вращающуюся поляризацию. При практически полной развязке самих передатчиков происходит суммирование их мощности в пространстве. Приводятся рекомендации по практической реализации рассматриваемой антенны.

На рис. 2.8 и 2.9 приведены расчетные и экспериментальные зависимости КСВ и ДН модели этой антенны. Расчетные и экспериментальные данные достаточно хорошо совпадают между собой, что свидетельствует об адекватности численных и физических моделей. Расчеты проводились с использованием численных моделей, а эксперимент проводился на физических моделях.

Рисунок 2.8 – Расчётная и экспериментальная зависимости КСВ

Рисунок 2.9 – Расчётные и экспериментальные ДН

Достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует об адекватности компьютерной и физической моделей.

В разделе 2.5 исследуется малогабаритная передающая антенна вертикальной поляризации, предназначенная для работы на поверхностной волне. Поскольку для работы на поверхностной волне используется низкочастотная область КВ диапазона, то передающие антенны оказываются достаточно громоздкими. Поэтому в целях умень-шения их вертикальных размеров в ряде отечественных и зарубежных разработок применяют несимметричные вибраторы, которые, из-за наличия противовеса (как было показано выше), обладают рядом недостатков в части формирования УМ ДН.

Для уменьшения вертикальных размеров антенны (без применения несимметричных вибраторов) предложен новый (Патент № 93590) вариант симметричной ЛПВА с укороченными в 2 раза вертикальными частями плеч вибраторов, что позволяет вместо несимметричного вибратора с противовесом использовать симметричный вибратор такой же высоты, но без наземного рефлектора.

Укорочение вибраторов симметричной ЛПВА достигается за счет применения в них вибраторов с Т-образными плечами (см. рис. 2.10).

Рисунок 2.10 – Малогабаритная ЛПВА с Т-образными вибраторами

Однако, при использовании такой ЛПВА в качестве антенны поверхностной волны, возникают неприятности с УМ ДН. На высоких частотах ДРЧ относительная высота фазового центра увеличивается, что приводит к появлению боковых лепестков, т.е. к увеличению излучения под верхними углами места (см. рис. 2.11).

Рисунок 2.11 – УМ ДН для ЛПВА с Т-образными вибраторами

(ось антенны параллельна земле)

Для борьбы с этим недостатком наклоняем распределительный фидер ЛПВА к поверхности земли таким образом, чтобы его относительная высота во всем ДРЧ была постоянна. Это позволяет исключить появление боковых лепестков в УМ ДН в ВЧ области ДРЧ. При этом сами вибраторы ЛПВА, возбуждаемые от этого фидера, остаются вертикальными. УМ ДН для этого случая приведены на рис. 2.12.

Рисунок 2.12 – УМ ДН для ЛПВА с Т-образными вибраторами

(ось антенны наклонена)

Раздел 2.6 посвящен исследованию паразитных синфазных волн, которые возникают в ЛПВА с наклоненным распределительным фидером. Появление синфазных волн обусловлено неортогональностью плеч вибраторов ЛПВА к распределительному фидеру. В результате составляющая тока вибратора, параллельная распределительному фидеру и приводит к возникновению в нем синфазной волны.

Влияние синфазной волны на согласование показано на рис. 2.13, а на коэффициент усиления – на рис. 2.14. Наиболее сильно от синфазных волн искажается УМ ДН (см. рис. 2.15). Полоса частот, в пределах которой проявляется синфазная волна, достаточно мала и составляет всего несколько процентов от диапазона рабочих частот.

 

Рисунок 2.13 – Влияние синфазной волы на согласование (КСВ)

Рисунок 2.14 – Влияние синфазной волы на коэффициент усиления (КУ)

Рисунок 2.15 – Искажения УМ ДН при появлении синфазной волны

Для борьбы с синфазной волной можно использовать стальной (не биметаллический) провод, расположенный вблизи от распределительного фидера – посередине между его проводами.

В разделе 2.7 исследуются передающие АФАР, предназначенные для возбуждения поверхностной волны, которые должны работать в сверхширокой полосе частот и обеспечивать «засветку» заданного азимутального сектора обзора в 60 или 120. Рассматриваются 3 варианта выполнения передающих антенн: линейная АР со сканированием ДН на ±30 или ±60, дуговая АР, выполняемая из 2-х ЛПВА с сектором обзора 60 (см. рис. 2.16) или одиночная ЛПВА с сектором обзора 120 и интерференционная АР с ЛПВА излучателями, расположенными параллельно друг другу и образующими линейную АР (см. рис. 2.17).

       К недостаткам линейной АР можно отнести большую высоту вертикального рефлектора (max/2) и необходимость разбиения всего ДРЧ на несколько поддиапазонов (литеров) с целью обеспечения удовлетворительного согласования излучателей, а в случае сектора обзора в 120 и на две подрешетки с секторами обзора по 60.

Наиболее предпочтительным является вариант дуговой АФАР из 2-х ЛПВА, расположенных с угловым шагом 30°. Благодаря сохранению во всем ДРЧ неизменным относительного расстояния между фазовыми центрами этих ЛПВА удается стабилизировать внешние характеристики и характеристики согласования во всем ДРЧ. Такая АС обеспечивает сектор обзора в 60°.

Рисунок 2.16 – Схема дуговой АР с двумя излучателями

Рисунок 2.17 – Общий вид интерференционной АР из 4-х ЛПВА

с Т-образными вибраторами

       Может представлять интерес и интерференционная АФАР, у которой шаг излучателей выбирается оптимальным для НЧ области ДРЧ, а появляющиеся в ВЧ области побочные главные максимумы могут быть использованы при обзоре заданного азимутального сектора.

       В разделе 2.8 подробно исследуется 4-х литерный вариант сверхширокополосной приёмной АС для поверхностной волны, позволивший существенно уменьшить количество необходимых приёмников при одновременном улучшении РТХ. В целях экономии территории, занимаемой антенной системой, исследуется вариант совмещенного расположения всех 4-х литеров в пределах одного раскрыва, определяемого низкочастотным литером (см. рис. 2.18). Такое расположение становится возможным благодаря использованию в антенне укороченных (рассогласованных) вибраторов, когда взаимный импеданс излучателей оказывается много меньше их собственного импеданса. Результаты расчета ДН для этого варианта показали, что влияние вибраторов соседних литеров практически не ухудшают ДН.

       На рис. 2.19 приведен вариант 4-х литерного приемного АФУ с размещением литеров на террасах соответствующей высоты, что позволяет не только использовать рельеф местности, но и стабилизировать УМ ДН во всем ДРЧ за счёт постоянства относительной высоты фазового центра во всех литерах.

Рисунок 2.18 – Совмещенный вариант расположения излучателей

в 4-х литерной приёмной АС

Рисунок 2.19 – Схема размещения 4-х литерной антенны поверхностной волны на террасах

В разделе 2.9 исследуется одна из возможных конструкций самонесущего симметричного вертикального вибратора для приемной антенны поверхностной волны. Отличительной особенностью такого вибратора является его объемная конструкция, в результате которой он не требует каких-либо специальных конструктивных элементов для своей установки (см. рис. 2.20).

Рисунок 2.20 – Объемный трехгранный симметричный вибратор

В разделе 2.10 анализируются возможные варианты построения корабельных антенн для загоризонтных РЛС поверхностной волны.

Минимальные потери поверхностной волны имеют место в случае распространения радиоволн над морской поверхностью. При этом чем ниже частота, тем меньше потери и больше дальность действия РЛС. Поэтому весьма заманчиво использовать загоризонтные РЛС поверхностной волны на морских судах. Однако с понижением частоты возрастают габариты антенн, что затрудняет возможности их размещения на морских судах.

       Один из возможных вариантов размещения малогабаритных (с Т-образными вибраторами) передающих ЛПВА и приёмных АР с укороченными вибраторами на крупногабаритном судне, показан на рис. 2.21 Для уменьшения габаритов передающая и приёмная антенны однолитерные, работающие в средней части КВ диапазона.

Рисунок 2.21 – Схема размещения 2-х секторной загоризонтной РЛС поверхностной волны

на крупногабаритных судах с секторами обзора по левому и правому борту 120° каждый

Глава 3 Антенны и антенные системы для загоризонтной РЛС пространственной волны 

Глава 3 посвящена антеннам для загоризонтной РЛС пространственной волны, т.е. антеннам и антенным системам, работающим с использованием отражения радиоволн от ионосферы.

В разделе 3.1 исследуется 4-х литерная передающая антенная система, работающая на горизонтальной поляризации. Благодаря тому, что в этой антенной системе используется 2 комплекта передатчиков, поочередно подключаемых соответственно к литерам с нечетными и четными номерами, удается реализовать удвоенную (~ 80%) полосу электронной перестройки частоты. При этом один передатчик имеет полосу электронной перестройки ~ 40 %. Расширение полосы электронной перестройки частоты позволяет быстро уходить от активных помех, а также выбирать частоты свободных радиоканалов. Кроме того, подобная схема построения антенных систем позволяет осуществить одновременную работу на 2-х частотах из соседних поддиапазонов (литеров), что существенно повышает дееспособность РЛС.

В разделе приводятся результаты выбора оптимальных параметров антенной системы, а также результаты измерения характеристик согласования для одного из уже построенных литеров. Все литера антенной системы являются электродинамически подобными. Устройство одного из литеров антенной системы показано на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Устройство одного литера антенны

На рис. 3.2 приведены расчетные значения КСВ для каждого из излучателей антенны, полученные в процессе обработки результатов измерения матрицы рассеяния, построенного опытного образца III литера передающей антенной системы.

Рисунок 3.2 – Характеристики согласования излучателей опытного образца

Внешний вид опытного образца антенны приведен на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 – Внешний вид антенны

Раздел 3.2 посвящен вопросам оптимизации параметров вертикального рефлектора, используемого в передающих антеннах КВ диапазона. Этот рефлектор выполняет две основные функции: создает однонаправленное излучение и обеспечивает защиту персонала, обслуживающего передатчики, расположенные за антенной. В связи с тем, что в КВ диапазоне габариты такого рефлектора оказываются достаточно большими и требуют соответственно больших материальных затрат на их создание, то выбор оптимальной конструкции рефлектора является актуальной задачей.

Обычно при выборе параметров таких рефлекторов используют результаты решения электродинамической задачи применительно к бесконечному рефлектору.

Для оптимизации параметров рефлектора конечных размеров применяется методика численного моделирования.

В разделе 3.3 исследуется предложенная автором новая приемная антенна для работы на пространственной волне. Приемная антенна полностью идентична схеме построения соответствующей передающей антенны (см. раздел 3.1). Она также имеет 4 электродинамически подобных литера и предполагает использование 2-х комплектов приемников для расширения полосы электронной перестройки. В результате реализуется возможность одновременной работы на двух частотах из соседних поддиапазонов.

       Излучатели приемной антенны выполняются по схеме кардиоидных излучателей (см. раздел 1.2). Излучателями служат симметричные горизонтальные укороченные вибраторы, расположенные в 2-х ярусах (см. рис. 3.4) и на тех же высотах, что и в соответствующей передающей антенне. Вибраторы подключаются к приёмнику с помощью диаграммо-формирующей схемы (ДФС), рассмотренной выше (см. раздел 1.2).

Рисунок 3.4 – Схема подключения кардиоидного излучателя

В результате УМ ДН передающей и приёмной антенн полностью совпадают. Излучатели всех 4-х литеров антенны подвешены на общих опорах, размещенных с шагом 42 м, и образуют типовой модуль приёмной антенны. В результате удаётся существенным образом сократить общее количество всех опор в антенне в ~4 раза, по сравнению с существующим в настоящее время аналогом подобной антенны.

       На рис. 3.5 и 3.6 приведены схемы совмещенного расположения излучателей всех 4-х литеров. Совмещенное расположение всех литеров антенны в пределах низкочастотного раскрыва антенны, становится возможным благодаря использованию в антенне рассогласованных (укороченных) вибраторов (см. также раздел 2.8).

Рисунок 3.5 – Схема взаимного расположения передних полотен литеров

(вид из центра антенны)

Рисунок 3.6 – Схема подвески полотен 4-х литеров АФАР

(вид сбоку)

       На рис. 3.7 приведены УМ ДН для всех 4-х литеров антенны в случае их совместного размещения. Как показало численное моделирование, существенного взаимного влияния литеров не наблюдается.

Рисунок 3.7 – УМ ДН для совмещенной ФАР из 16-ти кардиоидных излучателей

(в каждом из 4-х литеров), для неотклоненного и отклоненного луча

В разделе 3.4 исследуются измерительные антенны, предназначенные для калибровки передающих и приемных антенн в КВ диапазоне (от 5 до 28 МГц). Для измерения внешних характеристик передающих антенн применяется рамочная антенна, устанавливаемая в головной части геофизической ракеты. С помощью этих ракет проводилось измерение высотного распределения напряженности электромагнитного поля передающей антенны пространственной волны после отражения радиоволн от ионосферы. В результате осуществлялась калибровка математической модели ионосферы, описывающей распространение радиоволн на больших дальностях, а также измерялись внешние характеристики передающей антенны.

В качестве измерительной антенны использовались три рамочных антенны, плоскости которых были взаимно ортогональны (см. рис. 3.8). В результате имелась возможность измерить все составляющие электромагнитного поля.

Рисунок 3.8 – Общий вид антенны

Основной трудностью при создании этой измерительной антенны, была необходимость обеспечения требуемой развязки рамок, имеющих очень малую действующую длину, относительно корпуса ракеты, резонирующего в КВ диапазоне. Строгое соблюдение осевой симметрии антенны с корпусом ракеты позволило обеспечить развязку не хуже –14 дБ. Результаты натурных измерений величины развязки приведены на рис. 3.9.

Рисунок 3.9 – Развязка рамочной антенны по паразитной поляризации

Для измерения внешних характеристик приемного АФУ использовался специальный спутник (из серии первых наших спутников) в виде шара диаметром 2 м. В экваториальной плоскости спутника с шагом 45 размещалось восемь радиально расположенных несимметричных вибраторов. Каждый из вибраторов имел длину 7,5 м при диаметре 40 мм. Вибраторы возбуждались равноамплитудно от одного передатчика. Фаза от вибратора к вибратору нарастала с дискретом 45. В результате создавалась квазиизотропная ДН во всем ДРЧ от 5 до 28 МГц. Результаты измерений, полученные с помощью этого спутника, подтвердили правильность расчетов. На рис. 3.10 приведен внешний вид спутника с вибраторами, а на рис. 11 приведены значения КНД.

Рисунок 3.10 – Внешний вид спутника с вибраторами

Рисунок 3.11 – КНД спутниковой антенны

Заключение

В диссертационной работе рассмотрены вопросы оптимального (с точки зрения минимальных материальных затрат при заданных требованиях) проектирования крупногабаритных коротковолновых сверхширокополосных передающих и приемных антенн и активных антенных систем (АС) для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны, работающих в диапазоне рабочих частот (ДРЧ) от 4 до 28 МГц.

Разработанная в диссертации методология этого проектирования базируется на поиске минимума целевой функции, представляющей собой произведение относительных показателей качества, характеризующих: стоимость излучателей, количество активных элементов (передатчиков или приёмников), длину раскрыва АС и занимаемую ей площадь, неравномерность КНД и стоимость (длину) всех фидеров АС. При этом, в качестве условия оптимизации принято требование, что ширина ДН во всем ДРЧ и секторе обзора не должна превышать некоторой наперед заданной величины, т.е. 2·0,7 Ф°доп. В процессе оптимизации было определено минимально-необходимое количество поддиапазонов (литеров), на которые разбивался весь ДРЧ, соответствующее минимуму целевой функции. Так например, при коэффициенте перекрытия ДРЧ – tдрч=2 надо 2 литера, а при tдрч=4 необходимо 3 литера и при  tдрч=6 достаточно 4 литера. В результате оптимальный коэффициент перекрытия поддиапазона равен: 1,4 tл 1,6.

Полученные в работе инженерные соотношения позволяют на практике реализовать процедуру проектирования оптимальных антенных систем. 

Разработанная методология согласования по шумам приемных антенн КВ диапазона, базирующаяся на значительном превышении внешних (атмосферных и галактических) шумов над собственными шумами приемника, позволяет в несколько раз уменьшить габариты вибраторов и тем самым существенно снизить стоимость создаваемых устройств.

В качестве исходного условия для согласования по шумам, используется допущение, что потери полезного сигнала за счёт перехода от согласованных (по КСВ) резонансных вибраторов к укороченным (рассогласованным) не должны превышать 1 дБ. В результате, с учётом чувствительности приёмника, определяются: допустимое значение КСВ для укороченного вибратора и его размеры. При этом, в качестве уровня внешних шумов берётся минимально-возможный уровень внешних шумов в районе дислокации РЛС.

Благодаря использованию в приёмных АФУ однонаправленных кардиоидных излучателей, удается отказаться от громоздкого апериодического рефлектора, что также значительно снижает стоимость всего АФУ. Кардиоидный излучатель, при незначительном изменении его внешних характеристик, может работать во всём КВ диапазоне. Однако, его коэффициент передачи в этом случае, может быть ослаблен на 10 дБ и более. Поэтому, для обеспечения неравномерности коэффициента передачи в пределах ~1…2 дБ, кардиоидный излучатель также должен выполняться по литерной схеме.

В целях снижения затрат на изготовление передающих антенн поверхностной волны, которые для обеспечения хорошего согласования выполняются резонансными, во многих отечественных и зарубежных разработках использовались несимметричные сверхшироко-полосные логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА). Однако, в связи с тем, что для таких антенн необходим противовес (наземный рефлектор), то токи, текущие по нему, приводили к снижению излучения вдоль поверхности, а, следовательно, и к снижению уровня возбуждаемой поверхностной (земной) волны и усилению излучения под верхними углами места, что в свою очередь приводило к появлению ионосферной помехи.

Поэтому, для передающих антенн поверхностной волны автором был предложен новый тип (имеется патент) симметричной ЛПВА с Т-образными вибраторами, что позволило в ~2 раза уменьшить высоту антенны (по сравнению с классическим вариантом ЛПВА с обычными /2 вибраторами) и, тем самым, сделать её равной по высоте несимметричному излучателю. При этом, в связи с отсутствием противовеса, удалось избежать, отмеченных выше, недостатков несимметричного излучателя. 

При проектировании и исследовании проволочных КВ антенн, широко используется сертифицированная программа MMANA, базирующаяся на решении интегрального уравнения Поклингтона методом моментов. Хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными данными, позволило существенно сократить сроки проектирования и исследования подобных антенн и антенных систем.

С использованием методологии машинного проектирования и разработанных автором компьютерных моделей, были созданы новые (имеются патенты) специфические антенны для геофизической ракеты и искусственного спутника Земли. С помощью этих антенн проводились измерения внешних характеристик передающих и приемных антенных систем загоризонтных РЛС пространственной волны, а также исследовалось распространение радиоволн в верхних слоях атмосферы.

Кроме того, с использованием разработанной в диссертации методологии оптимального построения схем сверхширокополосных активных ФАР, были спроектированы 4-х литерные передающие и приёмные антенные системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны, в которых была реализована и схема удвоения полосы электронной перестройки частоты. В случае приёмного АФУ была предложена новая схема совместного расположения всех 4-х литеров, которая позволяет в пределах раскрыва низкочастотного литера разместить остальные 3 литера АС. В результате существенно уменьшается площадь, занимаемая антенной. Совместное расположение всех 4-х литеров без существенного изменения их внешних характеристик стало возможным благодаря слабому взаимодействию излучателей, обусловленного их большим собственным импедансом за счёт использования укороченных вибраторов.

Аналогичная схема построения приёмных АФУ была реализована и в случае загоризонтных РЛС поверхностной волны, работающих на вертикальной поляризации.

Основные материалы диссертации, опубликованные в журнале «Антенны» в 2006 – 2011 г.г., позволяют в какой-то мере ликвидировать пробел, связанный с отсутствием специальной литературы по проектированию АФУ для загоризонтных РЛС. 

Таким образом, можно сделать вывод о том, что поставленная в диссертационной работе цель достигнута.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Базилевская М.К., Николаев В.А., Стрижков В.А. Оценка величины синфазной волны в трактах питания передающего АФУ // Электросвязь, 1991, №3.

2. Николаев В.А. Антенна поверхностной волны, Труды XXVIII международной конференции "Теория и техника антенн", г. Москва, 1998.

3. Николаев В.А. Оценка диапазонных свойств ФАР, Труды XXVIII международной конференции "Теория и техника антенн", г. Москва, 1998.

4. Николаев В.А. Крестообразная передающая антенна поверхностной волны. Труды XII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навига­ция, связь", г. Воронеж, 2006.

5. Базилевская М.К., Николаев В.А. Антенна высотного измерителя поля. Труды XII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", г. Воронеж, 2006.

6. Николаев В.А. Антенна поверхностной волны КВ диапазона. Труды XV международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", г. Воронеж, 2009.

7. Николаев В.А., Эжиев А.Г. Методика измерения внешних характеристик наземных КВ антенн поверхностной волны. Труды XV международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", г. Воронеж, 2009.

8. Николаев В.А., Тимашева Т.Г. Электромагнитная совместимость передатчиков в активной ФАР, Труды VIII международного симпозиума "Электромагнитная совместимость и экология", г. Санкт-Петербург, 2009.

9. Николаев В.А., Тимашева Т.Г. Защита от электромагнитного излучения, Труды VIII международного симпозиума "Электромагнитная совместимость и экология", г. Санкт-Петербург, 2009.

10. Николаев В.А., Эжиев А.Г. Согласование по шумам приемной антенны КВ диапазона. Труды XVI международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" г. Воронеж, 2010.

11. Николаев В.А., Тимашева Т.Г. Влияние параметров наземных рефлекторов на угломестные характеристики КВ антенн вертикальной поляризации. Труды XVI международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", г. Воронеж, 2010.

12. Николаев В.А., Ботов Д.В. Корабельные антенны для загоризонтных РЛС поверхност-ной волны. Труды XVI международной научно-технической конференции "Радиолокация,

навигация, связь", г. Воронеж, 2010.

13. Николаев В.А. Влияние размеров асимметричного противовеса на УМ ДН несимметричных излучателей КВ-диапазона // Антенны", 2006, Выпуск 4 (107), с. 48-55.

14. Николаев В.А. Оптимизация излучателей приемной антенны КВ-диапазона // Антенны, 2006, Выпуск 6 (109), с. 30-34.

15. Николаев В.А. Однонаправленные излучатели для приёмной антенны КВ-диапазона // Антенны, 2006, Выпуск 8 (111), с. 39-43.

16. Николаев В.А., Бакурова О.А. Сверхширокополосная передающая антенна поверхностной волны // Антенны, 2006, Выпуск 12 (115), с. 40-47.

17. Николаев В.А. Алгоритм реализации заданного возбуждения излучателей в активной передающей ФАР диапазона КВ // Антенны, 2007, Выпуск 1 (116), с. 27-29.

18. Николаев В.А., Базилевская М.К. Измерительная антенна для КВдиапазона // Антенны, 2007, Выпуск 1 (116), с. 82-85.

19. Николаев В.А. Оптимизация сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных ФАР // Антенны, 2007, Выпуск 3 (118), с. 20-24.

20. Николаев В.А. Малогабаритная сверхширокополосная передающая антенна поверхностной волны // Антенны, 2007, Выпуск 6 (121), с. 37-41.

21. Николаев В.А., Бакурова О.А. Самонесущий вертикальный вибратор для приемной антенны поверхностной волны // Антенны, 2007, Выпуск 6 (121), с. 42-45.

22. Николаев В.А., Бакурова О.А. Оптимальная приемная ФАР для пространственной волны // Антенны, 2007 Выпуск 7 (122), с. 35-42.

23. Николаев В.А. Передающие антенные решетки для РЛС поверхностной волны // Антенны, 2007, Выпуск 8 (123), с. 44-51.

24. Николаев В.А. Сверхширокополосная и сверхширокоугольная приемная антенна для РЛС поверхностной волны // Антенны, 2008, Выпуск 2 (129), с. 39-47.

25. Николаев В.А., Тимашева Т.Г. Паразитная синфазная волна в сверхширокополосных антеннах поверхностной волны // Антенны, 2008, Выпуск 12 (139), с. 46-50.

26. Николаев В.А., Тимашева Т.Г. Влияние наземного рефлектора на угломестные характеристики антенн поверхностной волны // Антенны, 2009, Выпуск 6 (145), с. 37-43.

27. Николаев В.А. Особенности расчета и измерения внешних характеристик коротковолновых антенн вертикальной поляризации для поверхностной волны // Антенны, 2009, Выпуск 11 (150), с. 34-43.

28. Николаев В.А. Активная передающая ФАР пространственной волны для КВ диапазона // Антенны, 2010, Выпуск 9 (160), с. 3-14.

29. Авторское свидетельство № 218216. Заявка № 3039400. Спец. тема. Базилевская М.К. и Николаев В.А. 25.04.1985 г.

30. Авторское свидетельство № 1234788. Заявка № 3755495. Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенной решетки. Базилевская М.К., Николаев В.А. и Фроловичева Г.Н. 01.02.1986

31. Авторское свидетельство № 1302966. Заявка № 3933120. Коротковолновая антенна для космического аппарата. Базилевская М.К., Николаев В.А. и Давлетшина Л.Г. 08.12.1986г.

32. Авторское свидетельство № 1401534. Заявка № 4167631. Рамочная антенна. Базилевская М.К., Николаев В.А. и Фроловичева Г.Н. 08.02.1988г.

33. Авторское свидетельство № 1721545. Заявка № 4700104. Устройство для измерения S-параметров многополюсников. Николаев В.А. и другие 22.10.1991г.

34. Патент № 62740. Заявка № 2006120281. Широкополосная антенна. Бакурова О.А. и Николаев В.А. 27.04.2007г.

35. Патент № 93590. Заявка № 2009131153. Сверхширокополосная логопериоди-ческая антенна поверхностной волны. Николаев В.А. 27.04.2010г.

36. Николаев В.А., Смирнов А.С., Яцкевич В.А. Подавление асимметричных аномалий в логопериодической антенне // Антенны, 2011,  Выпуск  8  (171).






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.