Синтез антенных решеток в условиях многолучевого распространения радиоволн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Безуглов Юрий Дмитриевич

СИНТЕЗ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК В УСЛОВИЯХ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

ц

V4

РОСТОВ-НА-ДОНУ 2006

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника» ГОУ ВПО Ростовский институт сервиса Южно-российского государственного университета экономики и сервиса.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Мануйлов Борис Дмитриевич Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, доцент

Таран Владимир Николаевич Кандидат физико-математических наук Земляков Вячеслав Викторович Ведущая организация ФГУП КБ "Связь"

Защита состоится «20» октября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в РГУ (344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге 5, РГУ, физический факультет, ауд. 247).

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке РГУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская 148.

Автореферат разослан « ^ » _2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.208.10

доктор физико-математических наук,

профессор

Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в России, как и во всем мире, продолжается развитие сетей и систем подвижной радиосвязи (СПР). Это относится как к сетям общего пользования (преимущественно сотовым), так и к профессиональным (ведомственным, технологическим) сетям. Продолжают развиваться и совершенствоваться СПР специального назначения, в том числе с использованием ИСЗ. В ближайшей перспективе ожидается интенсификация внедрения сетей подвижной радиосвязи третьего поколения.

Указанные процессы во многом определяют новые дополнительные требования к антеннам (антенным системам) базовых станций (БС) и радиоцентров СПР. С учетом общих тенденций повышения требований к качеству связи в условиях непрерывно усложняющейся электромагнитной обстановки ужесточаются требования к основным параметрам антенн. С другой стороны, массовое использование антенн БС СПР диктует не менее жесткие требования к их техническо-экономическим показателям. Для действующих и перспективных СПР выделены участки радиочастотного спектра в самых различных частях ОВЧ - и УВЧ-диапазонов, что предопределяет относительное разнообразие типов и технических решений применяемых антенн БС СПР. Не менее существенным фактором в этом отношении оказываются специфические технические требования, возникающие при построении корпоративных и специальных СПР, и предполагающих многообразие пространственных, энергетических и поляризационных характеристик антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн, антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций, включая пространственную, временную и пространственно-временную обработку принятых сигналов, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиосистем. Такое расширение круга задач стимулировало интенсивное развитие антенных систем и проведение исследований по широкому кругу вопросов, связанных с теорией и техникой антенн.

Речь идёт о создании многофункциональных антенных систем для базовых станций сотовой связи и радиоцентров СПР. Ещё более высока актуальность применения многофункциональных антенных систем в области спутниковой связи.

Многофункциональные антенные системы могут выполняться на основе антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва. Такие антенны образуют сложные излучающие структуры, путем изменения параметров которых возможно решение широкого круга задач, связанных с формированием диаграмм направленности (ДН) заданной формы, ЭМС радиоэлектронных средств, приемом сигналов при многолучевом распространении и рядом других задач. Решение этих задач неразрывно связано с разработкой различных алгоритмов оперативного управления характеристиками этих систем.

Проведение исследований по различным направлениям теории антенн включает в себя и решение вопросов радиофизики, в частности, оценку влияния электродинамических факторов на качество управления характеристиками многофункциональной антенной решетки (АР), исследование структуры и характера распределения электромагнитного поля, сформированного АР, учет многолучевого распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересеченной местности.

При всем многообразии исследований, посвященных решению задач синтеза АР различной конфигурации, в настоящее время отсутствуют эффективные методы, обеспечивающие оперативное (в реальном времени) определение комплексных весовых коэффициентов (КВК), необходимых для формирования ДН с заданным количеством, уровнем, положением, фазой и формой лучей, а также уровнем боковых лепестков. Разработка таких методов является на сегодня актуальной проблемой и может служить целью научного поиска.

Целью работы является создание комплекса новых эффективных и развитие существующих методов и алгоритмов параметрического синтеза АР для расширения функциональных возможностей и улучшения различных характеристик антенных решеток, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Для достижения данной цели предполагается решение следующих задач:

• разработка метода (способа и соответствующего алгоритма) оперативного формирования многолепестковых ДН линейных, кольцевых и плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на матричном методе синтеза;

• разработка аналитического метода (способа и соответствующего алгоритма) формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности линейных и плоских антенных решёток с дискретным фазированием;

• разработка алгоритма оперативного управления комплексными амплитудами токов в каналах плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на методе парциальных ДН с использованием функций Котельникова;

• разработка способов независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения;

• анализ характеристик разработанных алгоритмов (анализ энергетических характеристик разработанных алгоритмов, оценка их устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, анализ влияния взаимодействия излучателей на точность и эффективность разработанных алгоритмов, анализ диапазонных свойств разработанных алгоритмов).

Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, разработанными новыми методами (способами и алгоритмами) оперативного управления характеристиками направленности многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва и впервые полученными результатами:

• впервые решена задача формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации «распределённого» между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм;

• впервые аналитически решена задача фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа путем суперпозиции двух дискретных фазовых распределений;

• сформулирован в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными весовыми коэффициентами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры. Показано, что алгоритм обеспечивает формирование диаграмм направленности сложной формы, в том числе и многолепестковых;

• предложены новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн;

• представлены впервые полученные оценки характеристик разработанных способов и алгоритмов (энергетических характеристик, диапазонных свойств, устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, влияния электродинамических эффектов) на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток. Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Новый метод формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации «распределённого» между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм, включающий запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения комплексных амплитуд токов в излучателях.

2. Новый метод фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа, включающий запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения фаз токов в излучателях.

3. Сформулированный в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными токами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры.

4. Новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн.

5. Впервые полученные оценки энергетических и диапазонных характеристик разработанных способов и алгоритмов.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждается запатентованными методами расчетов, прошедшими государственную экспертизу, полнотой и корректностью постановки задачи, а также путем сравнения с известными результатами, построением синтезированных ДН и сравнением их с заданными ДН.

Практическая значимость работы. В работе разработаны алгоритмы, а также способы, применяемые при решении задач синтеза, позволяющие оперативно управлять параметрами многофункциональных антенны. Результаты решения задач синтеза, приведенные в работе, показали не только возможность формирования многолучевых диаграмм направленности,

но и возможности регулировки ширины главного луча и уровня боковых лепестков диаграммы, изменение формы главного луча, формирование нулей диаграммы направленности в направлении помехи, а так же независимое управление фазовыми диаграммами отдельных лучей для синфазного приёма сигналов при многолучевом распространении. Несомненно, что решение задач, приведенных в работе, существенно расширит функциональные возможности антенных решеток с различной геометрией раскрыва. Разработанные алгоритмы и способы, а так же созданный на их основе программно - вычислительный комплекс могут быть использованы для управления многофункциональными АР с различной геометрией раскрыва в радиотехнических системах.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем», проходившей в РВИ РВ, 2003г, на Международных научных конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2003», «Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005» (г.Таганрог, Россия, 2003 г., 2005 г.), а также на I Межрегиональной научно-практической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 1 статья в журнале «Антенны», 9 в сборниках трудов и тезисов докладов на научных конференциях, а так же в 2 отчетах по НИР. По материалам диссертационных исследований получено два патента РФ, а также подана заявка на предполагаемый патент РФ. Основные научные и практические результаты использованы в научной работе и учебном процессе в РВИ РВ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения. Она содержит 159 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц и список использованных источников, включающий 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, показана практическая значимость и научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание работы.

В первой главе, состоящей из трех частей, проведен обзор и краткий анализ существующих на сегодняшний день стандартов и антенных систем подвижной радиосвязи, а также основных методов синтеза антенных решеток. Первая часть посвящена обзору основных стандартов подвижной радиосвязи и используемых в них антенных систем. Во второй части сформулированы основные требования к антенным системам перспективных стандартов подвижной радиосвязи. В третьей части проведен обзор основных методов синтеза антенных решеток. Показано, что для расширения функциональных возможностей существующих антенных решеток необходимо создать новые, а также развить существующие методы и алгоритмы синтеза многофункциональных антенных решеток. Указаны методы синтеза, выбранные для решения поставленной задачи.

Вторая глава диссертации посвящена разработке алгоритма управления КВК плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова.

С учетом того, что коэффициенты Мрд разложения распределения тока в ряд Фурье являются одновременно коэффициентами разложения множителя решетки в двумерный ряд Котельникова, функции Котельникова ортогональны в области видимых углов, и число контролируемых при синтезе функций Котельникова должно равняться числу излучателей, получена система линейных алгебраических, матрица которой унитарна. Это позволило найти ее обратную матрицу путем эрмитова сопряжения и тем самым получить в замкнутой форме алгоритм управления КВК в элементах решетки с номерами пх,пу:

Здесь Ых-Му - число элементов решетки, пх= 1,2..ЫХ, пу — 1,2.

Для синтеза многолучевой ДН с регулируемой фазой лучей требуется задать комплексные значения Мрд, амплитуды которых соответствуют уровням

лучей, номера р и 9 - их ориентации, а фаза-требуемым фазам лучей.

2л. -N,-1

р ехр -¡я

Очевидно, что алгоритм обладает высокой оперативностью.

Проведено численное моделирование применения метода для формирования многолепестковых ДН, ДН сложной формы, показана возможность регулировки фазовой диаграммы в направлениях максимумов многолепестковой диаграммы направленности, регулировки уровня боковых лепестков, а также возможность формирования нулей диаграммы в направлении помехи. Исследована зависимость КНД многолепестковой АР от положения лучей, а так же диапазонные свойства синтезированных ДН. Выполнен анализ распределения синтезированных токов в каналах излучателей многолепестковой АР.

Выявлены закономерности изменения КНД при синтезе многолепестковых ДН. В частности, в случае двухлепестковой (3-х лепестковой) ДН при ориентации одного из лепестков в области нормали к раскрыву и отклонении второго лепестка на угол в от нормали, КНД второго лепестка убывает существенно медленнее, чем соъв, хотя при этом уменьшается и КНД первого лепестка.

В качестве примера применения алгоритма на левом поле рис. 1 для

АР, лежащей в плоскости хоу, приведены конические сечения трехлепестковой ДН с весами лепестков 1, 0,707 и 0,5. Каждый лепесток объемной ДН образован пятью функциями Котельникова (углы вх и в г

отсчитываются от соответствующих осей). На правом поле рис. I приведено коническое сечение (0у = 90°) косекансной ДН плоской АР. На этом же графике для примера изображена кривая созес£?х.

/ \ I I

I |

70 80 90 10О НО 120 130 140 15С

«..»х»

0,

'50

60 70 80 90

Рис. 1 - Синтез трехлепестковой и косекансной ДН на основе метода парциальных диаграмм.

Результаты исследований, выполненные во второй главе, опубликованы в работах [I], [15].

В третьей главе рассматривается матричный метод синтеза многолепестковых ДН, основанный на максимизации функционала, имеющего смысл «распределённого» (между соответствующими направлениями) коэффициента направленного действия (нормированного квадрата модуля взвешенной суммы значений ДН в S направлениях). Применительно к N — элементной кольцевой АР задача формулируется следующим образом:

-i- j|/(ç>)|2.^

. о

где fL - взвешенная сумма значений ДН f(cp) в S направлениях (s=l,2...S).

Д = (3)

а

где ws-Bec S-ro луча ДН.

Функционал (2) представляется в виде отношения эрмитовых форм. Алгоритм определения вектора-столбца | J) КВК в элементах АР основан на экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм и имеет вид:

И = [£]"'•(/*)% (4)

где [5] - квадратная эрмитова матрица N-ro порядка с элементами

ътп=±-г\гмугл<рус1<р, (5)

2л- £

(fs)- //-мерная вектор-строка с элементами

fi« =2>,'/„(%). (6) s

/„(.<?) ~ ненормированная парциальная диаграмма решетки, п— й излучатель которой (п = 1,2..N) возбужден током единичной амплитуды,

* - знак эрмитова сопряжения матрицы и комплексного сопряжения скалярной величины.

В основу данного метода положен патент [2] на способ формирования многолепестковых ДН.

Рассмотрена модификация предложенного метода, связанная с наложением ограничений (сравнением уровней лепестков и обращением в нуль производных ДН в максимумах лепестков), введением трансформирующей матрицы и понижением (на число ограничений) порядка эрмитовых форм, которая обеспечивает высокую точность реализации уровней и положений лучей синтезированной ДН. Кроме того, проведено численное моделирование применения метода для формирования многолепестковых ДН и ДН сложной формы. Показана возможность регулировки формы главного луча, уровня боковых лепестков и формирования квазиизотропной ДН, а так же возможность независимого управления фазовыми ДН отдельных лучей. Моделирование проведено на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток. При этом выполнен анализ диапазонных свойств синтезированных многолепестковых ДН и анализ распределения токов в каналах излучателей.

В качестве примера на левом поле рис. 2 приведены трехлепестковые

ДН кольцевой АР без ограничений ,Р(<р) и ДН с наложенными ограничениями Р0((р). На правом поле рис. 2 изображены значения фазовой ДН кольцевой АР в направлениях максимумов лучей. Показано, что изменение фазы в пределах 360° фазы одного из лучей (второго) практически не влияет на значения фазовых диаграмм двух отдельных лучей.

о,» ов 41 ил о?

03 о:

Рис. 2 - Синтез основе матричного метода трехлепестковой ДН

кольцевой АР с регулировкой фаз лепестков.

Результаты выполненных в главе 3 исследований опубликованы в работах [2], [4-12], [14].

Четвертая глава диссертации посвящена разработке аналитического метода фазового синтеза ДН с одним либо с двумя лепестками, ориентируемых в пространстве независимо. Решение задачи синтеза может быть применено в обычных ФАР, где нет возможности управлять амплитудой тока.

Предложенный метод фазового синтеза основан на новом запатентованном способе фазирования [3]. Его суть состоит в том, что фазовый сдвиг в каждом элементе АР устанавливается путём суперпозиции двух дискретных фазовых сдвигов: один из них с дискретом 7Г, обеспечивающим формирование двух лепестков и разведение их на требуемый угол, а второй с более мелким дискретом, обеспечивающим совместный поворот лучей. В случае линейной антенной решетки выражение, определяющее алгоритм фазового синтеза имеет вид:

y/*,exp = 7t ■ Ent(H„ Iж + q) + ^ • Ent(^2„ • 4/я- + q), (7)

где i/l я =k-n-z0■ (cos в1:- cos вг.) / 2, \j/2„ =k-n-z0 -(cos9U +cos#2,)/2 - вносимые фазовые сдвиги.

Продемонстрирована возможность регулирования разности фаз главных лепестков ДН путем изменения общего уровня каждого из двух фазовых распределений, а также варьирования значениями констант округления. Проведено численное моделирование применения метода для формирования двухлепестковой ДН. Моделирование проведено на примере антенных линейных и плоских решеток. Исследованы диапазонные свойства синтезированных диаграмм направленности. В качестве примера в левом поле рис.3 приведена двухлепестковая ДН Р(в) линейной АР в логарифмическом масштабе. Сечения ДН плоской АР Г(вх,ву)

поверхностями = 60° для первого луча и 9г1 = 70° для второго

представлены на правом поле рис. 3.

8(1 100 1±и 1*1 1<У1

Рис. 3 - Фазовый синтез двухлепестковых ДН линейной и плоской АР.

Результаты исследований, проведенных в главе 4, опубликованы в работах [3], [13-14].

В пятой главе рассмотрены вопросы практической реализации предложенных методов. На примере вибраторных излучателей показано, что для обеспечения высокой точности синтеза этап формального синтеза должен быть дополнен этапом реализации, учитывающим электродинамические эффекты в излучающей системе. Проведена оценка влияния взаимной связи излучателей на формирование многолепестковых диаграмм направленности с помощью предложенных методов.

С этой целью по синтезированным векторам токов |У) найдены векторы напряжений |С/) на входах вибраторов. Для этого методом наведенных ЭДС рассчитывались матрицы сопротивлений [г] линейной, кольцевой и плоской АР, после чего применялось выражение

(8)

Очевидно, что при приложении ко входам вибраторов напряжений |С/} в вибраторах протекают токи и реализуется синтезированная диаграмма.

Если же на этапе реализации не учитывать взаимодействие вибраторов, то есть вместо матрицы [г] использовать матрицу [¿О], диагональные элементы которой те же, что и в матрице [г], а остальные элементы нулевые, то ко входам вибраторов будут приложены напряжения |{/0):

|с/о> = [го]-|у>.

В результате в вибраторах реализуются токи

|70) = [2-'].|С/0) = [г-1].[20].|У),

(9)

(10)

отличающиеся от синтезированных, что приводит к отличию реализованной и синтезированной с учетом взаимной связи диаграмм. Наиболее

значительный неучет взаимной связи при синтезе многолепестковых ДН проявляется в кольцевых АР.

Оценка устойчивости матричного метода синтеза проводилась путем двойного обращения матриц, внесения случайных отклонений в элементы матрицы и исходные данные, а также нахождением чисел обусловленности матриц. Оценка устойчивости решения к погрешностям реализации амплитудно-фазового распределения проведена путем дискретизации амплитуд и фаз. Исследовано распределение токов при неучете взаимной связи излучателей, а также изменение КНД при дискретизации амплитуд и фаз. Проведен анализ вычислительных затрат, необходимых для реализации разработанных алгоритмов.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в настоящей работе, намечены перспективы дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработан метод (запатентованный способ и соответствующий алгоритм определения КВК в излучателях) оперативного формирования многолепестковых ДН линейных, кольцевых и плоских многофункциональных антенных решёток, основанный на матричном методе синтеза, обеспечивающий формирование диаграмм направленности с заданными свойствами. Предложена модификация упомянутого выше способа, связанная с наложением ограничений которые обеспечивает высокую точность уровней и положений лучей синтезированной ДН.

2. Разработан аналитический метод (запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения фаз токов в излучателях) формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности линейных и плоских антенных решёток с дискретными фазовращателями бинарного типа.

3. Сформулирован в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными весовыми коэффициентами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной

апертуры. Показано, что алгоритм синтеза на основе парциальных диаграмм обеспечивает оперативное управление КВК плоской многофункциональной антенной решеткой, так как содержит в явном виде выражение для определения комплексных амплитуд токов в её элементах по заданной (в том числе и многолепестковой) комплексной диаграмме направленности.

4. Разработаны новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн. В случае аналитического метода фазового синтеза регулировка разности фаз главных лепестков ДН происходит путем изменения общего уровня каждого из двух фазовых распределений, а так же варьирования значениями констант округления.

5. Результаты моделирования разработанных методов применительно к линейным, кольцевым и плоским антенным решеткам подтверждают возможность формирования ДН с заданным числом лучей, с заданными значениями фаз в направлениях их максимумов, с заданной шириной каждого луча (вплоть до формирования квазиизотропных диаграмм направленности), а также с требуемым уровнем боковых лепестков в определённых секторах. Разработанные методы также позволяют формировать ДН сложной формы (столообразную, косекансную).

6. Представлены впервые полученные оценки характеристик разработанных способов и алгоритмов (результаты исследований направленных и диапазонных свойств, частотных характеристик поля, излучаемого антенной системой, на примере линейной, кольцевой и плоской антенных решеток. Выполнен анализ распределения синтезированных токов в каналах излучателей АР при формировании многолепестковых ДН, а также ДН сложной формы.

7. Выполнен анализ энергетических характеристик разработанных алгоритмов, оценка их устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, анализ влияния взаимодействия излучателей на точность и эффективность разработанных алгоритмов, а также анализ вычислительных затрат, необходимых для реализации разработанных алгоритмов.

Личный вклад соискателя. Принимал личное участие в постановке и решении приведенных задач синтеза и анализа. Разрабатывал алгоритмы и программы расчетов характеристик излучения и рассеяния объектов, проводил численные эксперименты.

Таким образом, на основании выполненных в диссертационной работе научных и прикладных исследований, можно констатировать, что автором решена задача разработки методов параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва, обеспечивающих формирование в реальном масштабе времени многолепестковых диаграмм направленности с произвольными фазами лепестков, имеющая существенное значение для направления радиофизики, связанного с эффективным приемом сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мануйлов Б.Д.,Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Алгоритм управления многофункциональными антенными решётками на основе метода парциальных диаграмм.- // «Антенны» №9 (100) 2005 г., стр. 72-77.

2. Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов A.A. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решётки / Патент № 2249890 РФ. Бюллетень изобретений, 2005 г., №10

3. Мануйлов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решётки / Патент № 2258984 РФ. Бюллетень изобретений, 2005, №23.

4. Мануйлов М.Б., Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности /Заявка на патент № 2006104748 от 15.02.2006 г.

5. Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов A.A.. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решётки / Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ» ИРЭМВ-2003, Таганрог, 2003 г., с. 88-91.

6. Мануйлов Б.Д. Башлы П.Н. Климухин Д.В. Безуглов Ю.Д. Новые приложения теоремы об экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм в задачах оптимизации многофункциональных антенных решеток. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции

«Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г. с. 101-103.

7. Мануйлов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Кузнецов A.A. Формирование многолепестковых диаграмм направленности антенных решёток со стабилизацией положения и уровней лучей. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005». -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г. с. 46-48.

8. Безуглов Ю.Д. Влияние дискретности амплитуд и фаз токов на формирование многолепестковых диаграмм направленности антенных решеток Ростовский институт сервиса ЮРГУЭС. Сборник научных трудов. Социально-экономические и технологические проблемы развития сферы услуг. Вып. 3 Том 3. Ростов н/Д: Изд-во РИС ЮРГУЭС, 2004 г.-172с.

9. Мануйлов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Способ управления формой диаграммы направленности антенной решетки. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып. 1. - Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. -312 с.

10. Мануйлов М.Б. Мануйлов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Интеллектуальная антенна для мобильной связи в условиях многолучевого распространения сигнала. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып. 1. - Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. -312 с.

11. Мануйлов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Формирование многолепестковых диаграмм направленности плоских антенных решеток. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып. 1. - Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. -312 с.

12. Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов A.A.. Формирование многолепестковых объёмных диаграмм направленности плоской антенной решётки / Тезисы межвузовской НТК «Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем». РВИ РВ, 2003 г.

13. Мануйлов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И.. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в объёмной диаграмме направленности антенной решётки с дискретными фазовращателями / Тезисы межвузовской НТК «Перспективные направления теории и

практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем». РВИ РВ, 2003 г.

14. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануйлов Б.Д. Способы формирования многлепестковых диаграмм направленности антенных решеток /В этапном отчете о НИР «Библиография-6» на спец. тему. инв. № 50368, Ростов-на-Дону, 2004 г.

15. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануйлов Б.Д. Научно-методический аппарат, рекомендации по построению многолучевых антенных решеток /В этапном отчете о НИР «Библиография-6» на спец. тему. инв. №50540, Ростов-на-Дону, 2005 г.

Издательство Ростовского института сервиса

Сдано в набор 13.09.06. Подписано в печать 13.09.06. Зак. № 74. Печ. листов 1. Учетно-изд. л. 0,8. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тир. 100 экз. Отпечатано в РИС ЮРГУЭС, Варфоломеева, 215.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

0 ВВЕДЕНИЕ.

0.1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

0.2 ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ И РАМКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

0.3 НАУЧНАЯ НОВИЗНА, ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ

НА ЗАЩИТУ.

0.4 АПРОБАЦИЯ, ПУБЛИКАЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

0.5. СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ.

1.1 РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ В РОССИИ

И ЗА РУБЕЖОМ.

1.2 АНАЛИЗ ТИПОВ АНТЕНН ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ.

1.3 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА АНТЕННЫХ

РЕШЕТОК.

1.4. ВЫВОДЫ.

2 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПАРЦИАЛЬНЫХ ДИАГРАММ.

2.1 АЛГОРИТМ СИНТЕЗА МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКИХ АНТЕННЫХ РЕШЁТОК.

2.2 СИНТЕЗ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЗНАЧЕНИЙ КНД МНОГОЛЕПЕСТКОВОЙ АР ОТ ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧЕЙ.

2.4 РЕГУЛИРОВКА ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МНОГО ЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ.

2.5 СИНТЕЗ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ.

2.6 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ.

2.7 АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ТОКОВ В КАНАЛАХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ПЛОСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ.

2.8 ВЫВОДЫ.

3 МАТРИЧНЫЙ МЕТОД СИНТЕЗА МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ.

3.1 СПОСОБ И АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫХ РЕШЁТОК.

3.2 МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ КОЛЬЦЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

3.3 МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

3.4 МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

3.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ.

3.6 АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ТОКОВ В КАНАЛАХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ АНТЕННЫХ РЕШЁТОК.

3.7 ВЫВОДЫ.

4 АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ФАЗОВОГО СИНТЕЗА

ДВУХЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ.

4.1 СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХ НЕЗАВИСИМО ОРИЕНТИРУЕМЫХ ЛЕПЕСТКОВ В ДИАГРАММЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

4.2 ФАЗОВЫЙ СИНТЕЗ ДВУХЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ЛИНЕЙНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

4.3 ФАЗОВЫЙ СИНТЕЗ ДВУХЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ.

4.4 ВОЗМОЖНОСТЬ РЕГУЛИРОВКИ ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ.

4.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОННЫХ СВОЙСТВ

• СИНТЕЗИРОВАННЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ.

4.6 ВЫВОДЫ.

5 АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА МНОГОЛЕПЕСТКОВЫХ ДИАГРАММ.

5.1 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЗАИМНОЙ СВЯЗИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДН АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С ПОМОЩЬЮ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ.

5.2 ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ФОРМАЛЬНОГО СИНТЕЗА.

5.3 ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ К ПОГРЕШНОСТЯМ ДИСКРЕТИЗАЦИИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ.

5.4 ОЦЕНКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ.

5.5 ВЫВОДЫ.

0.1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Развитие мобильных сетей начиналось с предоставления услуг телефонии с использованием аналоговых технологий. В 90-х годах появились цифровые технологии, позволяющие снизить стоимость развертывания сетей и обеспечить лучшее качество связи. Среди них разработанная в Европе технология GSM стала наиболее популярной и была внедрена во многих странах. По мере увеличения популярности Интернета развивались услуги передачи данных, такие как передача сообщений и Web-браузинг, которые реализовывались путем модификации существующей цифровой технологии. Однако скорость передачи данных была недостаточна и ограничена, потому что цифровые сотовые системы были разработаны прежде всего для передачи голоса. Для того чтобы обеспечить лучшее качество голосовых услуг и более высокие скорости передачи данных, были разработаны новые системы мобильной связи - сети третьего поколения [1].

В настоящее время в России, как и во всем мире, продолжается и приобретает все более планомерный характер развитие сетей и систем подвижной радиосвязи (СПР). Это относится как к сетям общего пользования (преимущественно сотовым), так и к профессиональным (ведомственным, внутрипроизводственным, технологическим) транкинговым сетям подвижной радиосвязи. Утверждена «Концепция развития в Российской Федерации транкинговых систем подвижной радиосвязи на период до 2010 года». В ближайшей перспективе ожидается интенсификация внедрения сетей подвижной радиосвязи третьего поколения. Быстро развиваются корпоративные СПР в различных отраслях и секторах экономики, продолжают развиваться и совершенствоваться СПР специального назначения, в том числе с ретрансляторами на низкоорбитальной системе спутников.

Указанные процессы во многом определяют новые дополнительные требования к антеннам (антенным системам) базовых станций (БС), радиоцентров СПР и мобильных станций. С учетом общих тенденций повышения требований к качеству связи в условиях непрерывно усложняющейся электромагнитной обстановки ужесточаются требования к основным параметрам антенн. С другой стороны, массовое использование антенн БС СПР диктует не менее жесткие требования к их техническо-экономическим показателям. Для действующих и перспективных СПР выделены участки радиочастотного спектра в самых различных частях ОВЧ - и УВЧ-диапазонов, что предопределяет относительное разнообразие типов и технических решений применяемых антенн БС СПР [2-4]. Не менее существенным фактором в этом отношении оказываются специфические технические требования, возникающие при построении корпоративных и специальных СПР [6-7], и предполагающих многообразие пространственных, энергетических и поляризационных характеристик антенн.

В зависимости от конкретных требований к конфигурации зоны обслуживания БС, учитывающих, в частности, и факторы электромагнитной совместимости (ЭМС), антенная система должна формировать в горизонтальной плоскости круговую с заданной неравномерностью или секторную с заданной неравномерностью или секторную с заданной шириной главного лепестка диаграмму направленности (ДН). Радиус зоны обслуживания, а так же факторы ЭМС и электромагнитной безопасности определяют требования к коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, ширине ДН в вертикальной плоскости, наклону луча и величине боковых лепестков, выполнение которых в большинстве случаев обеспечивается за счет вертикального развития антенной системы, ее построения в виде линейной вертикальной антенной решетки (АР) и формирования соответствующего амплитудно-фазового распределения. [2]

Изложенные выше наиболее общие принципы построения радиосредств определяют постоянный рост требований, которым должны удовлетворять антенно-фидерные устройства радиосистем. В связи с этим современные радиосистемы, должны обеспечивать не только передачу или прием информации по радиоканалам, но, и в ряде случаев, определение местоположения объекта [8] и его идентификацию. Такое расширение круга задач стимулировало интенсивное развитие антенных систем и, как следствие, проведение исследований по широкому кругу вопросов, связанных с теорией и техникой антенн.

В процессе развития также существенно видоизменяются конструкции используемых антенн. Наряду с проволочными (вибраторными) антеннами, созданными на первых этапах развития, широкое распространение получают апертурные антенны, антенны бегущей волны, фазированные антенные решетки, щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые и другие типы антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние или извлечения данных о положении и движении объекта, антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций, включая пространственную, временную и пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиосистем.

Одной из важных проблем современной радиоэлектроники является одновременное обеспечение требуемых направленных свойств и электромагнитной совместимости радиотехнических систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн. Особую актуальность указанная проблема приобретает в связи с интенсивным развитием систем сотовой мобильной связи и беспроводного доступа в Интернет. В этом случае антенна, предопределяющая в большинстве случаев характеристики радиосистем в целом, будет определять не только зону охвата и доступности индивидуальных пользователей, но и саму возможность бесконфликтного использования систем связи в данном регионе.

Таким образом, наряду с антеннами, представляющими простые взаимные устройства, для решения возникающих задач применяются и антенные системы, являющиеся совокупностью излучателей, обеспечивающие одновременное решение целого ряда задач, направленных на достижение радиосистемой заданных ТТХ. Иными словами, речь идёт о создании многофункциональных антенных систем для базовых станций сотовой связи и радиоцентров СПР. Ещё более высока актуальность применения многофункциональных антенных систем на мобильных станциях спутниковой связи, функционирующих через ретрансляторы, размещённые на системе низкоорбитальных искусственных спутниках земли.

Многофункциональные антенные системы могут выполняться на основе АР с различной геометрией излучающего раскрыва. Особого внимания заслуживают кольцевые, линейные и плоские решетки, т.к. именно они в настоящее время наиболее часто используются в системах подвижной радиосвязи. Такие антенны образуют сложные излучающие структуры, путем изменения параметров которых возможно решение широкого круга задач, связанных с формированием ДН заданной формы, ЭМС различных радиоэлектронных средств и рядом других задач. В частности, одной из таких задач является несомненно радиофизическая проблема учёта многолучевого характера распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересечённой местности. Адекватным решением этой проблемы могло бы стать формирование многолепестковой ДН с независимой регулировкой фаз лепестков. Развитие существующих на сегодняшний день антенн систем мобильной связи неразрывно связано с разработкой различных алгоритмов оперативного управления характеристиками этих систем.

Проведение исследований по различным направлениям теории антенн включает в себя и решение вопросов радиофизики, в частности, оценку влияния электродинамических факторов (в первую очередь, взаимодействия излучателей), учет многолучевого распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересеченной местности на качество управления характеристиками многофункциональной АР. Все это говорит о несомненной актуальности исследования по вопросам теории антенных решеток и их значимость не только для теории и техники антенн, но и в области радиофизики, включая исследование структуры и характера распределения электромагнитного поля, сформированного АР, учет многолучевого характера распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересеченной местности.

0.2 ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ И РАМКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Расширение круга задач, решаемых антеннами в составе радиосистемы и, в частности, в составе станций сотовой и мобильной радиосвязи, требует при исследовании таких антенн широкого использования положений и теории антенн, на основе которого можно сформулировать требования к антенным системам и определить пути их совершенствования. В соответствии с таким подходом проведение исследований может быть сведено к рассмотрению вопросов в следующих областях:

Объект исследования - многофункциональные антенные решетки с различной геометрией излучающего раскрыва.

Предмет исследования - методы параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток и соответствующие им электромагнитные поля.

Научная задача: разработка методов параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва, обеспечивающих формирование в реальном масштабе времени многолепестковых ДН с произвольными фазами лепестков.

Цель диссертационной работы: создание комплекса новых эффективных и развитие существующих методов и алгоритмов параметрического синтеза АР для расширения функциональных возможностей и улучшения различных характеристик антенных решеток, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Для достижения данной цели предполагается решение следующих задач:

- разработка метода (способа и соответствующего алгоритма) оперативного формирования многолепестковых ДН линейных, кольцевых и плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на матричном методе синтеза;

- разработка аналитического метода (способа и соответствующего алгоритма) формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности линейных и плоских антенных решёток с 9 дискретным фазированием;

- разработка алгоритма оперативного управления комплексными амплитудами токов в каналах плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на методе парциальных ДН с использованием функций Котельникова;

- разработка способов независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения; анализ характеристик разработанных алгоритмов (анализ энергетических характеристик разработанных алгоритмов, оценка их устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, анализ влияния взаимодействия излучателей на точность и эффективность разработанных алгоритмов, анализ диапазонных свойств разработанных алгоритмов).

0.3 НАУЧНАЯ НОВИЗНА, ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, разработанными новыми методами (способами и алгоритмами) оперативного управления характеристиками направленности многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва и впервые полученными результатами:

- впервые решена задача формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации «распределённого» между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм;

- впервые аналитически решена задача фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа путем суперпозиции двух дискретных фазовых распределений;

- сформулирован в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными весовыми коэффициентами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры. Показано, что алгоритм обеспечивает формирование диаграмм направленности сложной формы, в том числе и многолепестковых;

- предложены новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн;

- представлены впервые полученные оценки характеристик разработанных способов и алгоритмов (энергетических характеристик, диапазонных свойств, устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, влияния электродинамических эффектов) на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Новый метод формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации «распределённого» между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм, включающий запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения комплексных амплитуд токов в излучателях.

2. Новый метод фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа, включающий запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения фаз токов в излучателях.

3. Сформулированный в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными токами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры.

4. Новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн.

5. Впервые полученные оценки энергетических и диапазонных характеристик разработанных способов и алгоритмов.

Практическая значимость выполненных исследований состоит в том, что разработанные алгоритмы, а также способы, применяемые при решении задач синтеза, позволяют оперативно управлять параметрами многофункциональных антенных решеток. Результаты решения задач синтеза, приведенные в работе, показали не только возможность формирования многолучевых диаграмм направленности, но и возможности регулировки ширины главного луча и уровня боковых лепестков диаграммы, изменение формы главного луча, формирование нулей диаграммы направленности в направлении помехи, а так же независимое управление фазовыми диаграммами отдельных лучей для синфазного приёма сигналов при многолучевом распространении. Несомненно, что решение задач, приведенных в работе, существенно расширит функциональные возможности антенных решеток с различной геометрией раскрыва. Разработанные алгоритмы и способы, а так же созданный на их основе программно - вычислительный комплекс могут быть использованы для управления многофункциональными АР с различной геометрией раскрыва.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждается запатентованными методами расчетов, прошедшими государственную экспертизу, полнотой и корректностью постановки задачи, а также путем сравнения с известными результатами, построением синтезированных ДН и сравнением их с заданными ДН.

0.4 АПРОБАЦИЯ, ПУБЛИКАЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнена в соответствии с основными направлениями научно-технических исследований по развитию систем радиосвязи с целью расширения функциональных возможностей и улучшения различных характеристик антенных решеток, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 1 статья в журнале «Антенны», 9 в сборниках трудов и тезисов докладов на научных конференциях, а так же в 2 отчетах по НИР. По материалам диссертационных исследований получено два патента РФ, а также подана заявка на предполагаемый патент РФ. Основные научные и практические результаты использованы в научной работе и учебном процессе в РВИ РВ.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем», проходившей в РВИ РВ, 2003г, на Международных научных конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2003», «Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2005» (г.Таганрог, Россия, 2003 г., 2005 г.), а также на I Межрегиональной научно-практической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2006 г.).

0.5 СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения. Она содержит 159 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц и список использованных источников, включающий 105 наименований.

5.5 ВЫВОДЫ

1. Процедуру формального синтеза необходимо дополнить этапом реализации, учитывающим электродинамические эффекты в излучающей системе, обусловленные взаимодействием элементов АР. Для этого необходимо рассчитать напряжения, обеспечивающие найденные в процессе процедуры формального синтеза КВК. Неучет взаимной связи излучателей приводит к несоответствию сформированных ДН с заданными (т.е. сформированными с учетом взаимной связи излучателей).

2. При решении задач формального синтеза с использованием матричного метода актуальным становится вопрос устойчивости решения. Оценка устойчивости путем внесения погрешностей в исходные данные, двойного обращения матрицы [5] показала, что полученное решение является устойчивым. Матрица [В] в некоторых случаях имеет достаточно большие значения числа обусловленности con При расчете решеток различной конфигурации сохраняется тенденция увеличения cond[B] с увеличением числа излучателей, однако это явление не сказалось на параметрах сформированных

ДН.

3. При решении задачи формального синтеза ДН с помощью матричных методов синтеза изменения амплитуд и фаз токов были непрерывны, т.е. рассчитывались без учета дискретизации. Проведена оценка влияния дискретизации фаз и амплитуд токов на форму реализуемых ДН, а также на направленные свойства АР различных конфигураций. В процессе анализа выявлено, что при синтезе многолепестковых АР дискретизация амплитуды оказывает меньшее влияние на форму ДН и направленные свойства АР, чем дискретизация фаз. Характер изменения КНД при дискретизации у линейных, плоских и кольцевых решеток сходен.

4. В процессе анализа выяснено, что кольцевая решетка менее устойчива к неучету взаимного влияния излучателей, внесению погрешностей, а также дискретизации амплитуд и фаз, по сравнению с линейной и плоской АР. Также кольцевая решетка с шагом Л обладает большей устойчивостью по сравнению с кольцевой решеткой, имеющей шаг Л/2.

5. В целом, полученное с помощью матричных методов синтеза решение можно назвать устойчивым, что говорит об эффективности предложенного в главе 3 метода.

6. Разработанные методы синтеза обеспечивают высокую оперативность при расчете управляющих токов в излучателях кольцевых, линейных и плоских АР, возможна их реализация в реальном масштабе времени. Наиболее высокой оперативностью отличается аналитический метод фазового синтеза, однако его возможности и области применения ограничены. Метод парциальных диаграмм обладает большей оперативностью по сравнению с матричным методом, однако область его применения ограничивается линейными и плоскими АР. Матричный метод синтеза также достаточно оперативен и наиболее универсален, т.к. пригоден для использования в решетках любой геометрии.

1. Зелкин Е.Г., Соколов В.Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. - М.: Сов.радио, 1980, 296 с , ил.

2. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча (введение в теорию). - М.: Сов. радио, 1965.

3. Кашин В.А., Кухтевич А.В. Оптимальный по КНД фазовый синтез многолучевых диаграмм направленности /Радиотехника и электроника,1979, №12, с. 2414-2421.

4. Крупицкий Э.И. О максимальной направленности антенн, состоящих из дискретных излучателей //Доклады АН СССР, 1962, т.143, №3.

5. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. - 4-е изд.- М., Наука. Гл. ред. Физ-мат. лит., 1988, 552 с.

6. Мануйлов Б.Д., Башлы Н.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антеннойрешётки / Натент № 2249890 РФ. Бюллетень изобретений, 2005, №10.

7. Мануйлов М.Б., Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности / Заявка напатент №2006104748 от 15.02.2006

8. Мануйлов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антеннойрешётки / Труды Международной научной конференции «Излучение ирассеяние ЭМВ» ИРЭМВ-2003, Таганрог, 2003, с. 88-91.

9. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануйлов Б.Д. Способы формировнаия многлепестковых диаграмм направленности антенных решеток/ В этапном отчете о НИР «Библиография-6» на спец. тему. инв. №50368, Ростов-на-Дону, 2004

10. Дерюгин Л.Н., Зимин Д.Б. Коммутационный метод управления лучом // «Радиотехника и электроника», 1964, №3, с. 19

11. Мануйлов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленностифазированной антенной решётки /Патент № 2258984 РФ. Бюллетеньизобретений,2005, Х223.

12. M.Mouly, M.B.Pautet. The GSM System for Mobile Communications. 1992. p.p. 702.

13. Mehrotra. Cellular Radio: Analog and Digital Systems. Artech House, Boston-London. 1994. p.p. 460.152

14. Гоцуляк А.Ф., Гавриленко В,П., Орлов Н. Анализ энергетического баланса восходящей радиолинии системы передачи данных CDMA 2000lxEV-DO - //Вестник связи 2004 г, №2.

15. Громаков Ю.А., Лучанский В.Б., Василенко 0.0. Факторы успешного внедрения сетей мобильной связи 3G - //Мобильные системы 2005 г.,№1.

16. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2- издание. : пер. с англ. -М.: издательский дом «Вильяме»,2003. -1104 с.: ил. - парал. тит. англ.

17. Косинов М.И. Перспективы применения интеллектуальных антенн в сотовых сетях связи. - //Мобильные системы, 2004, №10, с.4-7, JNfel 1с. 18-23.

18. Спутниковые системы персональной и подвижной связи для обслуживания абонентов на территории России. Под редакциейКучейко А. А. М.:Издательское предприятие редакции журнала«Радиотехника», 2001.

19. Алехин Ю.Н., Жучков Ю.А., Лазарева Е.В., Базовые антенны KATHREIN для систем связи третьего поколения стандарта UMTS,Мобильные системы, 2001 г., №3.

20. Алехин Ю.Н., Лазарева Е.В.- Антенно-фидерные устройства для базовых станций сотовой и подвижной связи - // Мобильные системы, 2002г., № 3

21. Martin Cooper - А Layman's Guide to Cellualar - Annual Rewiew of Communications, 1996, p. 993-997

22. Martin Cooper - Intelligent Antennas -Spatial Division Multiple Access - Annual Rewiew of Communications, 1996, p. 999-1002

23. Касаткин Н.Ф. Антенны для базовых станций сотовых сетей. //Технологии и средства связи Ш2,2004.

24. Громов В.Б., Алехин Ю.Н. Антенны сотовой связи: новая продукция KATHREIN - // Мобильные системы, 2000 г., №3.153

25. Алехин Ю.Н., Лазарева Е.В, Особенности панельных XPol антенн с динольными излучателями и кабельной схемой иитания, //Мобильныесистемы, 2003 г., №5.

26. Алехин Ю.Н. Дистанционное управление положением луча в панельных антеннах KATHREIN - //Мобильные системы , 2003г.,№3.

27. J.R. James Исследование антенных решеток с цифровым формирования лучей. Microwave Journal, 1996.v.39,№2, p. 113-124

28. Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. - М.: Радио и связь, 1997

29. Mobile Antenna Systems Handbook /Ed. By K. Fujimoto, J.R. James, Boston- 1.ondon: Artech House, 1994

30. Климатов H.A. Антенны для базовых станций сотовой связи. - //Технологии и средства связи, 2002, N22, с. 40-45

31. Нанычев А.Н., Соломахин П.А. Модель антенны базовой станции системы подвижной сотовой связи. - //Телекоммуникации, 2003 № 4, с.25-29.

32. Васехо Н.В., Дудукин Н., Тихвинский В.О. Нерспективы применения антенных решеток в системах подвижной связи //Мобильные системы. -2000 г., - №5 - с. 43-46.

33. Сунн Юн Еом, Чел Сиг Пио, Сунн Ик Джон, Ганин А., Шишлов А.В., Шубов А.Г., Щербенков В.Я. Исследование плоской антенной решетки ссекторной диаграммой направленности для перспективных базовыхстанций. //Антенны, 2005 г., №. 1(92).

34. Громаков Ю.А. Концептуальные аспекты развития сотовой связи. Электросвязь, №11, 2003

35. Бей Н.А., Нрилуцкий А.А. Двухдиапазонные многолучевые приемопередающие ФАР для систем сотовой связи 3-го поколения.//Антенны, 2005 г., № 10(101).

36. Дремов А.Н. Мобильная связь в России. Новые услуги и технологии для сетей сотовой связи. // Технологии и средства связи 2004, №2.154

37. Прилуцкий А.А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3-го поколения

38. Е.Вгоокпег. Phased arrays: Major advances and future trends into the next millennium (Invited Paper)/Pros. Of the XXVIII Moscow InternationalConference on Antenna Theory and Technology. 1998, pp. 24-42

39. Хитроумные антенны - Мартин Кунер, // В мире науки, 2003 г. №10 с.47-53.

40. Активные фазированные антенные решетки //Под ред. Воскресенского Д.И. и Канащенкова А.И. - М.: Радиотехника, 2004. -488 с : ил.

41. Фрадин А.З. К вопросу о точечном излучателе. - ЖТФ, 1939, т.9,№13, с. 1161-1171.

42. Пистолькорс А.А. Применение функций Матье для расчета распределения поля по заданной диаграмме направленности. - ДАНСССР, 1953, Т.89, №5, с. 849-851

43. Мак-Лахлан Н.В. Теория и приложение функций Матье: Пер. с англ. - М.:МЛ, 1953.-474 с.

44. Вольман И.И. Связь между характеристикой направленности и распределением тока по линейному проводнику. - Электросвязь, 1941,№4, с. 46-54.

45. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. -М.:САЙПС-ПРЕСС, 2005.-512 с : ил.

46. Хедли Д. Нелинейное и динамическое программирование: Пер. с англ. - М.: Мир, 1967.

47. Кореи Л.В., Соколов В.Г. О расширении луча фазируемой антенной 155решетки. - Радиотехника и электроника, 1975, т. 20, №3, с. 501-509.

48. Гармаш В.Н., Малакшинов Н.П. Фазовый синтез антенных решеток в чебышевском нриближении нри заданных требованиях к амплитудномураспределению. - Антенны/Под ред. А.А. Пистолькорса. - М.: Связь,1975, Хо 22, с. 3-10

49. Бакланов Е.В. Чебышевское распределение токов для плоской решетки излучателей. - Радиотехника и электроника, 1966. т. 11, N^4, с. 746-752

50. Fung I., Tseng, David К. Cheng. Optimum scannable planar arrays with an invariant sidelobe level. - Proc. IEEE, 1968, v. 56, № 11, p. 17-25

51. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности. М - Госэнергоиздат, 1963. - 272 с.

52. Пистолькорс А.А. Построение антенн по заданной направленной характеристике. - Изв. Элктр. Пром и слабого тока, 1939, М1 с.9-19

53. Зелкин Е.Г. Синтез антенных решеток. - Антенны /Под ред. А.А. Пистолькорса. - М: Связь, 1966, Nul, с. 34-36

54. Tseng F.I., Cheng D.K. Spacing perturbation techniques for array optimization. - Radio Science, 1968, May, v. 3 (New Series), №5, p. 451-457.

55. Фельд Я. Н., Бахрах Л.Д. Современное состояние теории синтеза антенн. - Радиотехника и электроника, 1963, т.8 N^S, с. 1473

56. Пистолькорс А.А. Проблема синтеза антенн. В кн. 100 лет со дня рождения А.С. Попова. - М.: АН СССР, 1960

57. Пистолькорс А.А., Фельд Я. Н. Основные этапы развития теории антенн и фидерных устройств в СССР. - Радиотехника и электроника, 1957, т.11,№11,с. 1390.156

58. Тихонов А.Н., Дмитриев В.И. О методах решения обратной задачи теории антенн. - В кн.: Вычислительные методы и программирование.Под ред. А.С. Ильинского. Вьш. 13, М., изд. МГУ, 1969, с. 209-214.

59. Дмитриев В.И., Чечкин А.В. Один метод решения обратных задач теории антенн. - В кн.: Вычислительные методы и программирование.Под ред. А.С. Ильинского. Вын. 13, М., изд. МГУ, 1969, с. 66-72.

60. Дмитриев В.И., Чечкин А.В. Методы решения задач синтеза антенн. - «Труды ВЦ МГУ», 1969 с. 1-20

61. Смирнова И.В. Фазовый синтез линейной рештки с применением принципа регуляризации.-Радиотехника и электроника, 1974, Т. 19 >Г29,с.1973-1976

62. Корниенко Л.Г., Локтин В.И. Фазовый синтез секторных диаграмм направленности антенных решеток. - Радиотехника (Харьков), 1980,№53 с.63-70.

63. Аджемов С, Бокк Г.О., Зайцев А.Г., Мачулин В.М. Исследование алгоритмов сверхразрешения в антенных решетках. - Радиотехника,2000,с.66-71.

64. Ратьшский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - Радио и связь, 2004, 190 с.

65. Татузов А.Л. Нейросетевые методы снижения УБЛ в фазированных антенных решетках. - Известия АН. Теория и системы управления, 1999№5с.152-155.

66. Vaskelainen L.I. Phased Synthesis of Conformal Array Antennas. - IEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2000 v. 48 № 6, pp.987-991.

67. Kurek K., Yashchyshyn Y., Kondrak G., Modelski J, Investigation of 2D Phased Smart Antenna Array for LEO Satellite System./8"' EuropeanConference on Wireless Technology 2005, Paris, pp. 67-70.

68. Uthansakul M., Biolkovski M. Wideband Beam Forming with Arectangular Array Antenna/8"' European Conference on Wireless Technology 2005, Paris,pp. 63-66.157

69. Starszuk G., Yashchyshyn Y. Investigation of Amplitude Controlled Multi- NuU-Steering Smart Antenna Array /8* European Conference on WirelessTechnology 2005, Paris. Pp. 59-62.

70. Драбкин А.Л. , Зузенко В.Л., Кислов Н.Д.. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. Радио, 1974. - 536 с.

71. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1977. - 440 с. Минкович Б.М, Яковлев В.П. Теория синтеза антенн. - М.Сов. радио,1969.-294 с.

72. Объективные предпосылки перехода к РЛС с АФАР в самолётах тактической авиации 5-го поколения: Обзор по материалам иностраннойпечати /Под ред. Е.А.Федосова. - М.: НИЦ ГосНИИАС, 2002.

73. Применение фазированных антенных решёток в РЛС боевых самолётов.: М.: Обзор НТИ «Авиационные системы». - М.: НИЦ ГосНИИАС, 2002,№2

74. Лопатенко Э.В., Марусич А.А. Результаты математического моделирования двухлучевой диаграммы направленности АФАР снезависимо управляемыми лучами /«Радиотехника», 2004, JV211, с. 69-72.

75. Мануйлов Б.Д., Мануйлов М.Б. Устройиства СВЧ и антенны: Учебное пособие. МО РФ, 2006.

76. Мануйлов Б.Д., Сариев К.Э, Шабловский В.М, Яковенко В.А. Авт. св-во СССР 1712993 от 15.10.1991. Способ формирования провала в ДНантенной решетки.

77. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учебное пособие для вузов/Под. Ред. Д.И. Воскресенского. М.:Радио и связь/1994. - 592 с.

78. Коротковолновые антенны / Под ред. Г.З. Айзенберга. М.: Радио и связь, 1985.-536 с.

79. Калиткин Н.Н. Численные методы. Гл. ред. Физ.-мат. литературы изд-ва «Наука», М, 1978.158

80. Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры. Гл. ред. Физ.-мат. литературы изд-ва «Наука», М., 1977

81. Ильин В.А., Нозняк Э.Г. Линейная алгебра. Гл. ред. физ.-мат. литературы изд-ва «Наука», 1974

82. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы изд-ва «Наука», 1980.

83. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления.- М.: Наука. Гл. ред, физ.-мат, литературы, 1984. - 320 с.159