Управляемые отражательные антенные решетки с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

4848892

На правах рукописи

Ikf^j

ШУРАЛЕВ Максим Олегович

УПРАВЛЯЕМЫЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЖЕННЫХ ДИПОЛЬНЫХ РАССЕИВАТЕЛЕЙ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 ПЮН 2011

Нижний Новгород - 2011

4848892

Работа выполнена на кафедре электродинамики радиофизического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

АЛ. Умнов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Т.М. Заборонкова

кандидат физико-математических паук доцент В.А. Яшнов

Ведущая организация: Московский энергетический институт

(Технический университет)

Защита состоится « IS » ЦмЗН^ 2011 г. в |/}м на заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 1, ауц. 420.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан « | » /ЦфД 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.ф.-м.и., доцент ^C^-^J Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Применение антенн с высоким коэффициентом усиления, направлением излучения и приема которых можно управлять электрически, представляется весьма перспективным для использования в современных беспроводных системах связи, поскольку такие антенные системы дают возможность устанавливать связь требуемого качества даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени. Однако, несмотря на это, антенны с управляемыми диаграммами направленности до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiFi, WiMax, 3G и т.п.). Единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем [1], в основном, касаются использования антенн с управляемыми диаграммами на стороне базовых станций, в то время как случаи использования подобных антенн на стороне клиентов сетей практически неизвестны.

Главной причиной данной ситуации является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов (фазовращателей, волноводов и т.д.), на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности -фазированных антенных решеток.

Решение задач минимизации числа используемых дорогих СВЧ элементов, уменьшения потерь мощности в волноводах, а также существенного снижения стоимости антенной системы при сохранении преимуществ антенн с электрически управляемой диаграммой направленности возможно в рамках концепции антенной решетки с пространственным питанием ее элементов -пассивных рассеивателей с управляемыми параметрами [2]. Изменение параметров рассеивателей возможно, например, за счет управления характеристиками сосредоточенных нагрузок, включаемых в их конструкцию. Вариация параметров рассеивателей позволяет корректировать фазу и амплитуду переизлучаемых ими полей, что дает возможность формировать нужную диаграмму направленности всей системы рассеивателей. В зависимости от способа формирования диаграммы направленности при отражении первичной волны от массива рассеивателей или при прохождении через него различают отражательные антенные решетки [3-7], линзовые решетки [8] или их комбинации [9].

Характерными особенностями подобных антенн является наличие сильной электродинамической связи между отдельными элементами, их образующими, а также сложный характер связи между параметрами рассеивателя и характеристиками (амплитудой и фазой) переизлученного им поля. Эти особенности затрудняют анализ антенн и требуют создания особых систем управления. Сложность анализа антенных решеток и систем управления многократно возрастает для электрически больших решеток (имеющих высокий

коэффициент усиления), поскольку для них необходимо использование большого числа рассеивающих элементов.

Первые антенны подобного типа были предложены более тридцати лет назад [9], однако не получили широкого распространения из-за отмеченных выше характерных особенностей, накладывавших высокие требования на возможности вычислительной техники, которую нужно было использовать как в ходе разработки антенны (для решения задач анализа и синтеза), так и при ее эксплуатации (для управления). Массовое распространение беспроводных систем связи, требующее внедрения антенн с управляемыми диаграммами направленности, а также то обстоятельство, что один из наиболее перспективных подходов к созданию подобных антенн, основанный на использовании систем управляемых рассеивателей [2], позволяет решить эту задачу лишь при условии детального анализа электродинамических характеристик таких систем, делают тему данной диссертации, посвященной выработке общих подходов к их описанию, весьма актуальной. Необходимость такого рассмотрения усиливается тем обстоятельством, что данная область научных исследований лишь относительно недавно получила необходимые для ее эффективного развития технические средства, поэтому получаемые в ходе соответствующих исследований результаты закладывают фактически основу нового научного направления.

Целью диссертационной работы является выработка общих научных подходов к решению задач синтеза конструкции антенной решетки из множества взаимодействующих нагруженных рассеивателей, выбора типа и характеристик рассеивателя, которые должны позволять получать желаемые характеристики и управляемость диаграммы направленности, и демонстрация эффективности этих подходов на примере создания конкретной работоспособной антенной системы.

Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. Разработаны общие подходы к построению управляемых отражательных антенных решеток с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей.

2. Создана, исследована и успешно испытана в реальных рабочих условиях управляемая отражательная антенная решетка больших электрических размеров, образованная трехмерным массивом нагруженных варикапами дипольных антенн, работающих в условиях сильной электродинамической связи друг с другом и с облучателем решетки. Единичный элемент решетки конструктивно прост и объединяет в себе функции излучателя и фазовращателя. Трехмерное расположение рассеивающих элементов позволяет добиться необходимого диапазона изменения фазы рассеянной волны при высоком значении амплитуды на апертуре решетки за счет использования рассеивателей, находящихся на разных расстояниях от апертуры.

3. Предложен и реализован метод оптимизации геометрических параметров единичного рассеивателя - элемента антенны, входящего в трехмерную систему взаимодействующих рассеивателей, на основе расчета и контроля интегральных характеристик всей системы (коэффициента усиления, формы диаграммы направленности, диапазона управления лучом диаграммы, широкополосности).

4. Впервые предложен и реализован на практике эффективный метод формирования диаграммы направленности подобной антенны, основанный на решении в реальном времени многомерной оптимизационной задачи по определению необходимых для формирования желаемой диаграммы направленности напряжений смещения на варикапах всех диполей. Метод позволяет производить автоматическую настройку антенной решетки на максимально достижимый для данной конструкции уровень излучаемой и принимаемой мощности в желаемом направлении даже при наличии возмущающих объектов вблизи антенны, неточностей в изготовлении элементов антенны или неисправности части из них. Кроме того, метод позволяет адаптировать диаграмму направленности к присутствию источников помех в реальной обстановке за счет формирования минимумов диаграммы направленности в направлении на эти источники. Настройка антенной решетки происходит в процессе ее самоорганизации, обеспечиваемой наличием обратной связи между сигналом на выходе решетки и параметрами рассеивателей.

5. Предложен и реализован метод расширения частотного диапазона разрабатываемой антенной решетки на основе комбинации дипольных рассеивателей, размеры и взаимное расположение которых в пространстве оптимизируются исходя из требуемой частотной полосы антенны и равномерности ее характеристик.

Научная и практическая значимость результатов работы. Научная значимость работы состоит в получении результатов, способствующих формированию нового направления - теории антенных систем, построенных на базе массивов управляемых рассеивателей.

Практическая значимость работы состоит в разработке простой по конструкции и имеющей невысокую стоимость антенны сантиметрового диапазона, формой диаграммы направленности которой можно управлять, а также осуществлять сканирование главного лепестка диаграммы в большом диапазоне углов, изменять ширину этого лепестка, формировать минимумы в заданных направлениях.

Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: МТУ СИ, СПбГЭТУ, ФНПЦ ННИИРТ, НИФТИ, ФГНУ НИРФИ, ЦНИИС, а также для коммерческих компаний, занимающихся вопросами создания беспроводных систем связи в целях реализации масштабных сетей беспроводной связи среднего и дальнего радиусов действия (по технологиям WiFi, WiMAX, 3G и т.п.).

Методы исследования и достоверность научных результатов.

Достоверность и обоснованность результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных методов численного анализа трехмерных электродинамических структур, таких как метод конечных элементов и метод моментов, а также основанных на них программных комплексов (Ansofi HFSS, FEKO, IE3D), сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием различных программных комплексов, сопоставлением численных и экспериментальных результатов, их согласованностью с результатами других авторов, полученных для частных случаев.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На основе трехмерных электродинамических структур, образованных большим числом дипольных элементов (рассеивателей), нагруженных варикапами и облучаемых единственным активным элементом, могут быть построены антенные решетки с высоким коэффициентом усиления и управляемой диаграммой направленности, отличающиеся от традиционных фазированных антенных решеток существенно более простой конструкцией, пониженным энергопотреблением системы управления, низкими потерями СВЧ мощности и расширенными возможностями по адаптации к окружающим условиям (присутствию возмущающих объектов, выходу из строя части элементов и т.п.)

2. Антенные решетки, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, позволяют обеспечивать широкий диапазон сканирования главного лепестка диаграммы направленности, а также могут быть использованы для создания адаптивных антенн, осуществляющих одновременно усиление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов.

3. Использование в антенных решетках комбинаций рассеивателей, настроенных на разные частоты, позволяет обеспечивать работу со сканированием диаграммы направленности в широком частотном диапазоне.

4. Управление параметрами антенных решеток, построенных с использованием массивов управляемых рассеивателей, должно проводиться с учетом их сильного взаимного влияния и может осуществляться с использованием алгоритмов многомерной оптимизации как на стадии проектирования антенны, так и при ее настройке в реальных условиях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях? «Sarnoff Symposium» (Принстон, Нью Джерси, США, 2007 г.), «16th 1ST Mobile and Wireless Communications Summit» (Будапешт, Венгрия, 2007 г.), «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (Москва, Россия, 2009 г.), «IEEE East-

West Design & Test Conference» (Одесса, Украина, 2005 г.), VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005» (С.Петербург, Россия, 2005 г.), 9-й, 10-й, 11-й, 12-й, 13-й и 14-й Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007, 2009, 2010 гг.), 14-й Научной сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 2009 г.). Материалы диссертации обсуждались на научных семинарах кафедры электродинамики и Лаборатории физических основ и технологий беспроводной связи радиофизического факультета ННГУ, а также мероприятиях Лаборатории Интел (г. Беркли, Калифорния, США). Работа созданной антенны была продемонстрирована в реальных каналах связи в ходе полевых испытаний в г. Н. Новгород (Россия) и г. Беркли (США).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых физических журналах, 4 статьи в сборнике трудов конференций и 15 тезисов докладов (отдельно вынесены в «Список публикаций по теме диссертации»).

Личный вклад автора. В совместных работах автор принимал непосредственное участие в постановке задач, выполнении численных расчетов, проведении лабораторных и полевых экспериментов, и интерпретации их результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и изложена на 208 страницах, включая рисунки (82 шт.) и таблицы (8 шт.), список литературы (16 стр.), приложение (33 стр.)

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении к работе обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована её цель, дан обзор известных работ по теме диссертации, отмечена научная новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание работы.

Первая глава диссертации состоит из 5 разделов, описывающих концепцию антенны и её численный анализ.

В первом разделе приводится описание конструкции антенны. Антенна (рис. 1) состоит из зеркала (а), образованного управляемыми рассеивателями, и облучателя (Ь). В качестве управляемых рассеивателей выбраны электрические вибраторы, нагруженные в центре емкостным импедансом, значение которого может изменяться. Вариация импеданса нагрузки позволяет настраивать фазу рассеянной вибратором волны. Одновременно с этим изменяется и амплитуда рассеянного поля. Предлагаемая конструкция антенны (при которой рассеиватели размещаются в пространстве, а не на плоскости) позволяет произвольным образом изменять взаимное расположение рассеивателей, что расширяет возможности по оптимизации ее структуры для получения тех или иных характеристик.

рис. I

втором разделе первой

на основе численного поведения системы, состоящей из взаимодействующих рассеивателей, показана

необходимость использования процессов самоорганизации для настройки антенной решетки, образованной большим массивом рассеивателей. В разделе приведены сравнительные

диаграммы, демонстрирующие характер взаимного влияния элементов решетки друг на друга, а также приведено обоснование того, что основное влияние на работу каждого рассеивателя, образующего зеркало, оказывают его непосредственные соседи, и близкие рассеиватели в зеркале имеют близкие значения импедансов нагрузок, что необходимо для обеспечения непрерывности изменения фаз токов в рассеивателях вдоль зеркала.

В третьем разделе первой главы приведены методика и результаты численного исследования геометрических параметров рассеивателей, определены оптимальные размеры, обеспечивающие максимальный диапазон перестройки фазы при минимальных вариациях амплитуды переизлучаемого рассеивателями поля (рис. 2, ф - фаза переизлученного рассеивателями поля, А - амплитуда переизлученного рассеивателями поля, С - емкость диодов).

В четвертом разделе первой главы описан подход к численному определению оптимальной плотности расположения элементов в решетке (рис. 3), численные результаты подтверждены экспериментальными данными, сделан вывод о том, что при высокой плотности элементов ошибки в установке фазового сдвига (из-за недостаточного диапазона перестройки фазы переизлученного рассеивателями поля) компенсируются большей амплитудой переизлученного поля, а при больших расстояниях между рассеивателями поле с меньшей амплитудой имеет более точную фазу (из-за расширения диапазона

рис. 2

перестройки фазы переизлученного рассеивателями поля), что максимизирует, в конечном счете, коэффициент усиления (КУ).

В данном разделе также описана методика расширения диапазона перестройки фазы переизлученного поля, основанная на использовании многослойной структуры рядов антенной решетки (рис. 4). Установка на диодах рассеивателей первого слоя напряжений смещения, соответствующих минимуму переизлученной амплитуды, приводит к тому, что волна распространяется до следующего слоя, переотражается от него со сдвигами фазы, соответствующими установленным на элементах второго слоя управляющим сигналам, и распространяется обратно. Таким образом, к фазовому сдвигу, вносимому рассеивателями, добавляется сдвиг, соответствующий двойному расстоянию между слоями А.

рис. 3 рис- 4

В пятом разделе первой главы сформулированы результаты и сделаны выводы по первой главе.

Вторая глава диссертации состоит из 5 разделов, описывающих лабораторную модель антенны, экспериментальную установку и методы измерений. В первом разделе второй главы приводится описание лабораторной модели антенны (рис. 5), её конструкции и экспериментальной установки, располагавшейся в безэховой антенной камере и включавшей помимо прототипа антенны, сетевой анализатор, систему управления и вычислительное устройство с выполнявшемся на нем оптимизационным алгоритмом.

Во втором разделе второй главы детально рассмотрены конструкция и принцип работы системы управления антенны. Сигнал с ДЕ модуляцией (или широтно-импульсной модуляцией) от цифрового блока формирования управляющего сигнала, построенного с использованием

программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) проходит через фильтр низкой частоты (RC-фильтр) к операционным

рис. 5

усилителям, где соответствующим образом усиливается в диапазоне от О В до 15 В. Система управления для полноразмерной антенны состоит из 5 плат управления. Каждая плата содержит 1 кристалл ПЛИС с 1 встроенным модулем программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ, PROM), тактовый генератор, 100 RC-цепочек и 25 четырехканальных операционных усилителей. Полная мощность, потребляемая пятью платами системы управления (частота ПЛИС 50 МГц), составляет 7,7 Вт, при этом устройство связи, к которому подключается антенна, потребляет дополнительно 6 Вт. Исследования на устойчивость системы показали, что даже при 10% неисправных рассеивателях/каналах (50 штук от общего количества) коэффициент усиления антенны уменьшается менее чем на 1 дБ. Описана система команд для управления распределениями напряжений смещения на варикапах.

В третьем разделе второй главы описана методика и подходы к оптимизации распределения напряжений по элементам антенны. Оптимизационная задача разделена на две стадии: обучение и реальная работа. Обучение может быть выполнено в антенной камере для получения диаграммы направленности в фиксированном направлении с использованием гармонического сигнала, тогда как оптимизация в режиме реальной работы должна выполняться во время передачи данных, а результаты обучения могут быть использованы в качестве начальных точек (начальных распределений). По результатам исследования статистических характеристик сигналов (шумов) и исследования поведения выбранных алгоритмов оптимизации с этими сигналами был сделан вывод о том, что генетический алгоритм наилучшим образом подходит как для обучения, так и для режима реальной работы стохастических систем с большим числом параметров и исследуемой антенны в частности.

В четвертом разделе второй главы описаны экспериментальная установка и методика измерения амплитудно-фазовых характеристик рассеивателей и параметров антенны.

В пятом разделе второй главы сформулированы результаты и сделаны выводы по второй главе.

Третья глава состоит из 5 разделов, описывающих экспериментальное исследование антенны, в том числе, её полевые испытания. В первом разделе третьей главы приведены результаты измерения амплитудно-фазовых характеристик рассеивателей, которые оказались близки по характеру поведения, диапазону перестройки фазы и вариациям амплитуды к рассчитанным. Приведены результаты трех серий экспериментов по настройке конструкции антенны, были определены оптимальные (с точки зрения максимального коэффициента усиления антенны) расстояния между рассеивателями в слое и между слоями рассеивателей в одном ряду. В результате третьей серии экспериментов было установлено максимальное значение коэффициента усиления антенны для пяти рядов рассеивателей -21,5 дБи, и что, увеличение числа рядов (расстояние между центрами рядов

10

составляло 15 см, что больше длины волны на 20%) и, как следствие, площади антенны в пять раз соответствует повышению уровня коэффициента усиления также в пять раз (~7 дБ), то есть добавление рядов не вносит значительного дополнительного взаимного влияния между элементами, искажающего их амплитудно-фазовые характеристики.

Во втором разделе третьей главы приводятся результаты исследования процессов самоорганизации антенной решетки при формировании диаграммы направленности. Представлены результаты составления таблицы распределений управляющих напряжений, соответствующих различным направлениям главного лепестка диаграммы направленности и обеспечивающих максимальный коэффициент усиления в данных направлениях. Приведены диаграммы направленности антенны (рис. 6) при настройке ее в различных азимутальных направлениях (±60° с шагом 10°) при значениях угла места -10°, 0° и +10°, достигнутые характеристики антенной решетки: максимальный КУ 21,5 дБи, управление диаграммой направленности в азимутальной плоскости от -60° до +60° и по углу места -15° до +15°.

-150 -100 -50 0 50 100 150 азимут, градусы

-150 -100 -50 0 50 100 150 азимут, градусы

150 -100 -50 0 50 100 150 азимут, градусы

"полезным" сигнал

рис. 6

В третьем разделе третьей главы описаны результаты экспериментов по одновременному формированию максимумов и минимумов диаграммы в заданных направлениях "полезного" сигнала и "помехи" (рис. 7). При удовлетворительном значении коэффициента усиления в направлении источника "полезного" сигнала (порядка 18-21 дБи), уровень сигнала "помехи" составлял около -20 дБи.

В четвертом разделе третьей главы приводятся результаты полевых

испытаний антенны внутри города на крышах и верхних этажах офисных и жилых зданий, а также результаты установления связи между несколькими точками на расстоянии до 7 км в двух городах, разделенных рекой (рис. 8). Пропускная способность канала связи на основе антенны составила от 6,17 Мбит/с до 7,53 Мбит/с (6,85 Мбит/с ±10%), что сопоставимо с результатами измерений, проводившихся в подобных условиях с использованием стандартных средств беспроводной связи без возможности 11

-90 -ВО

-30 0 30 азимут, градусы рис. 7

60 90

управления главным лепестком диаграммы направленности.

В пятом разделе третьей главы

сформулированы результаты и сделаны выводы по третьей главе.

Четвертая глава состоит из четырех разделов, описывающих возможные модификации антенной решетки и применение разработанных методик управления излучением.

В первом разделе четвертой

^ ^ —....... главы описана модификация

решетки, позволяющая расширить рабочую полосу частот антенной системы. Модификация основана на использовании в решетке рассеивателей, двух типов, настроенных на разные частоты внутри требуемой полосы пропускания антенной системы (рис. 9). Показано, что применение использовавшихся ранее рассеивателей с шириной полосы 50 МГц по уровню -1 дБ, масштабированных для двух центральных частот 2,42 ГГц и 2,62 ГГц, приводит к тому, что ширина полосы модифицированной антенны расширяется до 200 МГц (на уровне КУ равном 20 дБи).

Во втором разделе четвертой главы описана приставка для стандартной параболической антенны (рис. 10), которая крепится к облучателю этой антенны. Приставка состоит из 13 рассеивателей, использовавшихся в описанной ранее антенной решетке. Такая модернизация стандартной параболической антенны приводит к тому, что её диаграммой направленности можно управлять в диапазоне ±10°, при этом максимальный коэффициент усиления уменьшается примерно на 2 дБ, но в направлениях максимального отклонения ±10° коэффициент усиления антенны приобретает значения, на б дБ превышающие коэффициент усиления неуправляемой антенны в данных направлениях. Применение модифицированного облучателя оправдано в случаях, когда необходимо обеспечить недорогой способ управления диаграммой направленности параболической антенны в диапазоне не более 20°.

2,42 ГГц рассеиватели

2 37 2.42 2 4 7 2.52 2.57 2.62 2.67 частота. ГГц

2,62 ГГц рассеиватели

приемным элемент

Л.™

рассеиватели

. , 40 , 40

...........

1

В третьем разделе четвертой главы описано использование разработанной отражательной антенной решетки в режиме работы «на просвет», т.е. в режиме линзы. Продемонстрирована возможность управления диаграммой направленности данной антенны. Показана необходимость

модификации расположения рассеивателей для эффективного Рис- 10 управления диаграммой

направленности при высоком коэффициенте усиления.

В четвертом разделе сформулированы выводы к данной главе.

В конце диссертации помещено Заключение, в котором сформулированы результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработаны общие принципы построения отражательных антенных решеток на базе многоэлементных трехмерных массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей.

2. Предложено использование процессов самоорганизации для формирования диаграммы направленности подобных антенных решеток.

3. Проведено численное моделирование и оптимизация параметров предложенных антенных решеток. Найдены квазиоптимальные геометрические размеры рассеивателей, образующих антенную решетку, позволяющие получать высокие коэффициенты усиления антенной решетки при широких возможностях управления диаграммой направленности.

4. Создана и экспериментально исследована лабораторная модель отражательной антенной решетки, предназначенной для работы в диапазоне частот 2,4 ГГц. Достигнут коэффициент усиления антенной решетки более 21 дБи при размерах антенной решетки 60 см х 100 см. Получена перестройка главного лепестка диаграммы направленности от -60° до +60° в азимутальной плоскости и от -15° до +15° по углу места.

5. Экспериментально продемонстрированы и исследованы процессы формирования диаграммы направленности предложенной антенной решетки за счет ее самоорганизации. Продемонстрированы возможности адаптации диаграммы направленности антенной решетки к наличию источников помех. Экспериментально получена разность до 40 дБ между полезным и помеховым сигналами от одинаковых источников.

6. Показана возможность расширения рабочей полосы частот антенной

решетки на основе использования в решетке рассеивателей различных типов. Для лабораторной модели антенны диапазона 2,4 ГГц получена рабочая полоса частот в 200 МГц.

7. На основе массивов пассивных управляемых рассеивателей разработана приставка для стандартной параболической антенны, позволяющая управлять диаграммой направленности в азимутальной плоскости от -10° до +10° с коэффициентом усиления в направлениях максимального отклонения на 6 дБ выше, чем для неуправляемой антенны.

8. Реализованы беспроводные каналы связи по WiFi технологии с использованием в одной точке разработанной антенны и стандартных параболических антенн (с коэффициентом усиления 24дБи) в других точках. Каналы связи реализованы внутри города и между городами, разделенными рекой на расстояниях до 7 км, на максимальном расстоянии продемонстрирована пропускная способность канала связи в 6,85 Мбит/с при использовании стандартного беспроводного оборудования (мощность 6 мВт, чувствительность приемника -72 дБм). Показана возможность переключения с помощью антенны между несколькими точками связи.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мэинваринг А., Умнов А.Л., Шуралев М.О., Ельцов А.Ю. Управляемая отражательная антенная решетка на основе нагруженных дипольных рассеивателей // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 8. С. 504 -518.

2. Mainwaring А., Умнов А.Л., Шуралев М.О., Ельцов А.Ю. Управляемая отражательная антенная решетка, образованная нагруженными электрическими диполями // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 4. С. 68 -75.

3. Shuralev М.О., Umnov A.L., Mainwaring A., Sokolov М.А., Eltsov A.U. Experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna dipole array // PIERS Online. 2009. V. 5, No. 7. P. 657 - 662.

4. Мордвинов Д.К., Рагозин Д.В., Соколов M.A., Шуралев М.О. Разработка аппаратного CIL(.NET) процессора с низким энергопотреблением // Труды 9-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ННГУ, 2005. С. 310-312.

5. Молков Н.П., Соколов М.А., Ушаков Ю.В., Шуралев М.О. Многопроцессорная система реального времени обработки сигналов // Труды 9-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2005. С. 350-352.

6. Мордвинов Д.К., Рагозин Д.В., Соколов М.А., Шуралев М.О. Моделирование аппаратного CIL (.NET) процессора на FPGA VIRTEX-4 // Труды VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005». С.-Петербург, 2005. С. 315 - 320.

14

7. Ragozin D.V., Shuralev M.O., Sokolov M.A. , Mordvinov D.K. DSP core for hardware based CIL machine // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Conference. Odessa, 2005. P. 131 - 136.

8. Умнов А.Л., Шуралев M.O. Моделирование антенны с пассивными рассеивателями в среде HFSS // Труды 10-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ННГУ, 2006. С. 83 - 85.

9. Ильина Д.А., Умнов А.Л., Филимонов В.А., Шуралев М.О. Экспериментальное исследование антенны, построенной на основе зеркала с управляемым импедансом // Труды 11-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2007. С. 239 - 241.

10. Shuralev М.О., Sokolov М.А., Umnov A.L. Low-cost adaptive Wi-Fi antenna for long-distance communications // Труды 11-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 2007. С. 259-260.

11. Filimonov V., Mainwaring A., Shishalov I., Shuralev M.O., Umnov A. Adaptive reactance parasitic antenna array // Proceedings of Sarnoff Symposium. Nassau Inn in Princeton (USA), 2007. P. 1 - 5.

12. Filimonov V., Mainwaring A., Shishalov I., Shuralev M.O., Umnov A. Theoretical and experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna array // Proceedings of the 16th 1ST Mobile and Wireless Communications Summit. Budapest (Hungary), 2007. P. 1 - 4.

13. Ельцов А.Ю., Соколов M.A., Шуралев M.O. Модификация канального уровня сетей 812.11 для адаптивных антенн // Труды 12-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2008. С. 278 -280.

14. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов . A.IO. Экспериментальное и теоретическое исследование амплитудно-фазовых характеристик пассивных рассеивателей адаптивной антенны // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 239-241.

15. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю. Исследование зеркальной адаптивной антенны с большим коэффициентом усиления, построенной на основе пассивных рассеивателей // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 237 -239.

16. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю. Антенна с управляемой диаграммой направленности на основе зеркала, сформированного системой дипольных рассеивателей // 14-ая Научная сессия молодых ученых: тез. докл. Нижний Новгород, 2009.

17. A.U. Eltsov, Shuralev М.О., Sokolov M.A. , Umnov A.L. Adaptive antenna scatterer characteristics improving // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 260 - 262.

18. Ельцов А.Ю., Соколов М.А., Шуралев М.О. Применение эволюционных алгоритмов оптимизации в адаптивных антенных решетках на основе

15

пассивных рассеивателей // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: TAJIAM, 2009. С. 9 - 10.

19. Shuralev М.О., Umnov A.L. , Mainwaring A., Sokolov M.A. , Eltsov A.U. Experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna dipole array // Proceedings of the Progress in Electromagnetic Research Symposium. Moscow, 2009. P. 175- 180.

20. Шуралев M.O., Умнов A.JI., Соколов M.A., Ельцов А.Ю. Экспериментальное исследование реального канала связи, построенного на базе адаптивной антенны с пассивными рассеивателями // Труды 14-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ННГУ, 2010. С. 290-291.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ В АВТОРЕФЕРАТЕ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Casas Е., Tong Chia, da Silva M., Hujun Yin, Yang-Seok Choi // Proceedings of IEEE 58th Vehicular Technology Conference, 6-9 Oct. 2003, Spokane, WA, USA, V. 5, P. 3141

[2] Thiel D.V., Smith S. Switched Parasitic Antennas for Cellular Communications. Norwood, MA, USA: Artech House, Inc., 2002. 254 p.

[3] Huang J., Encinar J.A. Reflectarray Antennas. Wiley Interscience - IEEE Press, 2007.216 р.

[4] Parnes M.D., Vendik O.G, Korolkov V.D. // PIERS Online. 2006. V. 2, № 2. P. 130

[5] E.A. Шорохова, B.A. Яшнов Дифракция электромагнитных волн на анизотропной цилиндрической неоднородности в плоском волноводе // Изв. вузов. Радиофизика. 2005.Т. XLVIII. № 7. С. 605-615.

[6] Кашин А.В., Умнов А.Л., Яшнов В.А. Рассечние радиоволн антенными решетками вибраторных антенн с нелинейными управляемыми элементами //Сборник 6-й Нижегородской научной конференции по радиофизике, 2002г.

[7] А.А. Горбачев, Т.М. Заборонкова Рассеяние радиоволн на нелинейных антенных вибраторных системах // Радиотехника. 1998. Т . 10. С . 89.

[8] Авдеев С. М., Бей Н. А., Морозов А. Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. М.: Радио и связь, 1987. 126 с.

[9] Harrington R. Е, Mautz J. R. Reactively loaded directive arrays. Office of Naval Research and Syracuse University, 1974.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Глава 1. Анализ возможности использования электрически больших массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей для создания управляемых отражательных решеток с высоким коэффициентом усиления.

1.1 Архитектура исследуемой антенной решетки и основные принципы ее работы.

1.2 Численные эксперименты по обоснованию концепции построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы.

1.3 Численное моделирование электродинамики антенной решетки и оптимизация параметров образующих ее рассеивателей с учетом их взаимного влияния.

1.4 Результаты численного анализа: характеристики оптимизированной антенной решетки.

1.5 Выводы.

Глава 2. Лабораторная модель антенной решетки.

2.1 Конструкция зеркала антенны.

2.2 Система управления антенной решеткой.

2.2.1 Требования к системе управления.

2.2.2 Аппаратная реализация.

2.2.3 Схема системы управления.

2.2.4 Реализация ЦАП.

2.2.5 RC - фильтры.

2.2.6 Устойчивость системы управления.

2.2.7 Энергопотребление.

2.2.8 Последовательный периферийный интерфейс.

2.3 Использование методов многомерной оптимизации для формирования диаграммы направленности и управления ее параметрами в процессе эволюционной самоорганизации антенной решетки.

2.3.1 Постановка оптимизационной задачи.

2.3.2 Режим обучения.

2.3.2.1 Описание задачи оптимизации в режиме обучения

2.3.2.2 Алгоритмы оптимизации.

2.3.2.3 Метрики оптимизации.

2.3.2.4 Экспериментальная установка и результаты.

2.3.3 Режим реальной работы.

2.3.3.1 Описание задачи оптимизации в режиме реальной работы.

2.3.3.2 Флуктуации мощности принимаемого сигнала.

2.3.3.3 Алгоритмы и метрики.

2.3.3.4 Экспериментальная установка и результаты.

2.4 Экспериментальная установка и методы измерения параметров решетки.

2.5 Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование антенной решетки.

3.1 Исследование характеристик рассеивателей, работающих в условиях взаимного влияния. Экспериментальная настройка пространственной структуры антенной решетки.

3.2 Управление диаграммой направленности антенной решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения. Достигнутые характеристики антенной решетки.

3.3 Работа антенной решетки в режиме адаптации к наличию источников помех.

3.4 Полевые испытания антенной решетки в реальных каналах связи.

3.5 Выводы.

Глава 4. Модификации антенной решетки.

4.1 Расширение частотной полосы антенной решетки

4.2 Модификация параметров излучателя параболической антенны с помощью массивов дипольных рассеивателей

4.3 Работа антенной решетки "на просвет" в режиме линзы

4.4 Выводы.

Заключение.

Список цитированной литературы.

Список работ по диссертации.

Приложение. Метод конечных элементов.

1В

Подписано в печать:

05.05.2011

Заказ № 5470 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. autoreferat. ru

Введение

Глава 1. Анализ возможности использования электрически больших массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей для создания управляемых отражательных решеток с высоким коэффициентом усиления.

1.1 Архитектура исследуемой антенной решетки и основные 42 принципы ее работы.

1.2 Численные эксперименты по обоснованию концепции 50 построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы.

1.3 Численное моделирование электродинамики антенной 55 решетки и оптимизация параметров образующих ее рассеивателей с учетом их взаимного влияния.

1.4 Результаты численного анализа: характеристики 66 оптимизированной антенной решетки.

1.5 Выводы

Глава 2. Лабораторная модель антенной решетки.

2.1 Конструкция зеркала антенны.

2.2 Система управления антенной решеткой.

2.2.1. Требования к системе управления.

2.2.2. Аппаратная реализация.

2.2.3. Схема системы управления.

2.2.4. Реализация ЦАП.

2.2.5. ЫС - фильтры

2.2.6. Устойчивость системы управления.

2.2.7. Энергопотребление.

2.2.8. Последовательный периферийный интерфейс. 92 2.3 Использование методов многомерной оптимизации для формирования диаграммы направленности и управления ее параметрами в процессе эволюционной самоорганизации антенной решетки.

2.3.1. Постановка оптимизационной задачи.

2.3.2. Режим обучения.

2.3.2.1. Описание задачи оптимизации в режиме обучения

2.3.2.2. Алгоритмы оптимизации.

2.3.2.3.Метрики оптимизации.

2.3.2.4. Экспериментальная установка и результаты.

2.3.3. Режим реальной работы.

2.3.3.1. Описание задачи оптимизации в режиме реальной работы.

2.3.3.2. Флуктуации мощности принимаемого сигнала.

2.3.3.3.Алгоритмы и метрики. 112 2.3.3.4.Экспериментальная установка и результаты.

2.4 Экспериментальная установка и методы измерения 114 параметров решетки.

2.5 Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование антенной решетки.

3.1 Исследование характеристик рассеивателей, работающих в 119 условиях взаимного влияния. Экспериментальная настройка пространственной структуры антенной решетки.

3.2 Управление диаграммой направленности антенной решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения. Достигнутые характеристики антенной решетки.

3.3 Работа антенной решетки в режиме адаптации к наличию 128 источников помех.

3.4 Полевые испытания антенной решетки в реальных каналах 129 связи.

3.5 Выводы

Глава 4. Модификации антенной решетки.

4.1 Расширение частотной полосы антенной решетки

4.2 Модификация параметров излучателя параболической 144 антенны с помощью массивов дипольных рассеивателей

4.3 Работа антенной решетки "на просвет" в режиме линзы

4.4 Выводы. 153 Заключение. 155 Список цитированной литературы. 160 Список работ по диссертации. 172 Приложение. Метод конечных элементов.

Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию возможности создания электрически больших (имеющих высокий коэффициент усиления) управляемых отражательных антенных решеток, построенных с использованием массивов распределенных в пространстве рассеивателей, параметры которых могут устанавливаться с помощью электрических управляющих сигналов. В исследуемых антенных решетках рассеиватели работают в условиях сильного электродинамического взаимодействия друг с другом, при этом настройка диаграммы направленности осуществляется за счет процесса эволюционной самоорганизации антенной решетки, обеспечиваемого интегрированным в систему вычислительным блоком, вырабатывающим управляющие сигналы для всех рассеивателей, входящих в решетку.

На основе данных исследований была разработана простая по конструкции и имеющая невысокую стоимость антенна сантиметрового диапазона длин волн, формой диаграммы направленности которой можно управлять: осуществлять сканирование главного лепестка диаграммы в большом диапазоне углов, изменять ширину этого лепестка, формировать минимумы в заданных направлениях.

Выбор темы исследования обусловлен ее научной новизной и практической актуальностью создания антенн с управляемой диаграммой направленности для современных систем беспроводной связи.

Применение антенн с высоким коэффициентом усиления, направлением излучения и приема которых можно управлять электрически, представляется весьма перспективным для использования в беспроводных системах связи, поскольку такие антенные системы дают возможность увеличивать дальность связи даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени, позволяя, в частности:

• устанавливать непрерывную стабильную связь требуемого качества с мобильными объектами;

• компенсировать механические отклонения антенных конструкций, которые могут быть вызваны различными нежелательными факторами (ветер, разрушение опор и т.п.);

• обеспечивать пространственно-временное разделение каналов связи;

• оперативно реконфигурировать топологию сети, состоящей из множества узлов.

Если антенная система позволяет посредством электронного управления задавать не только направление максимума мощности излучения/приема, но и направления минимума излучаемой/принимаемой мощности, то такая система делает возможной и борьбу с помехами, что также позволяет улучшить качество связи в беспроводной сети.

Однако, несмотря на все отмеченные выше ценные свойства, антенны с управляемыми диаграммами направленности до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (для сетей \ViFi, \ViMax, Зв и т.п.). Известны лишь единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем, например компания УГУАТО [1]. В основном, они касаются использования антенн с управляемыми диаграммами на стороне базовых станций, случаи использования подобных антенн на стороне клиентов сетей практически неизвестны.

Главной причиной данной ситуации является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов, на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности, основанных на использовании фазированных антенных решеток (ФАР).

Как известно, для получения высоких коэффициентов усиления антенных решеток необходима апертура больших электрических размеров и, соответственно, большое количество распределенных по ней излучателей. Согласно наиболее распространенной концепции архитектуры ФАР, к каждому излучателю от источника (к приемнику) СВЧ сигнала подводится отдельный волновод, при этом в канал каждого излучателя включается отдельное устройство управления фазой - фазовращатель. Несмотря на прогресс в разработке СВЧ материалов и технологий создания соответствующих устройств, изготовление большого числа отдельных СВЧ цепей остается весьма дорогостоящим процессом. К отмеченным факторам добавляются трудности компоновки элементов ФАР, а также потери мощности в протяженных волноведущих трактах, компенсация которых требует применения усилителей, что в еще большей степени повышает конечную стоимость антенной решетки.

Решение задач минимизации числа используемых дорогих СВЧ элементов, уменьшения потерь мощности, а также существенного снижения стоимости антенной системы при сохранении преимуществ антенн с электрически управляемой диаграммой направленности возможно в рамках концепции антенных решеток с пространственным питанием ее элементов, которыми являются пассивные рассеиватели с управляемыми параметрами. Изменение параметров рассеивателей позволяет варьировать фазу и амплитуду переизлучаемых ими полей, что дает возможность формировать нужную диаграмму направленности всей системы рассеивателей. >

Исторически исследования подобного типа антенн, развивались по нескольким основным направлениям [2-54], включая управление излучением за счет изменения параметров рассеивающих объектов [2-6].

Для антенн сантиметровых и миллиметровых диапазонов длин волн были предложены так называемые отражательные антенные решетки - антенны, образованные плоской отражательной поверхностью [7-10]. На этой поверхности располагается большое количество пассивных антенн-рефлекторов (например, открытых волноводов или микрополосковых элементов). Линии передачи СВЧ излучения к этим антеннам не подводятся. Единственный в системе активный элемент - облучатель - создает в пространстве первичное поле, которое и возбуждает элементы отражательной решетки. Эти элементы должны переизлучать падающее на них поле с фазой, необходимой для формирования всей системой плоского волнового фронта в дальней зоне, распространяющегося в заданном направлении. Другими словами, рассеиватели компенсируют набеги фазы, возникающие из-за разницы расстояния от облучающего элемента до различных рассеивателей на отражающей поверхности. Возможность, варьируя параметры рассеивателя, настраивать фазу переизлученного им поля, позволяет управлять диаграммой направленности всей системы.

Примером одной из первых работ, посвященных отражательным антенным решеткам, является работа, опубликованная в 1963 году [9]. В ней (рис. 1) зеркало формируют волноводные элементы различной длины. В качестве облучателя зеркала предлагается использовать рупор. Электромагнитные волны, формируемые рупором, распространяются до плоскости, на которой располагаются входы волноводов, далее распространяются по ним и отражаются от закороченных концов обратно, переизлучаясь вновь из их открытых концов. Изменяя длину каждого волновода отдельно, добиваются настройки фазы переизлучаемого им поля в

Рис.1 10 дальней зоне. Большие габариты и масса антенн, построенных с использованием отрезков волноводов, потребовали поиска иных вариантов конструкции отражательных решеток [8].

Рис.2

Следующим этапом развития концепции отражательных антенных решеток стало использование в них планарных отражающих элементов. В частности, предлагалось использовать плоские спиральные элементы с несколькими вложенными и повернутыми друг относительно друга спиральными плечами (рис.2) [10], формирование рассеивающего элемента осуществлялось с помощью рт-диодной системы коммутации спиральных плеч рассеивателя. Решетка, образованная спиральными элементами, возбуждается с помощью волны, имеющей круговую поляризацию. Из-за эффективного поворота спирального элемента на определенный угол, фаза переизлученного им поля изменяется на ту же величину в градусах. Переключая диоды и включая необходимые пары элементов спирали, добиваются управления фазой переизлученного поля и, как следствие, диаграммой направленности.

Позже в качестве элементов отражательных антенных решеток стали использовать нагруженные микрополосковые антенны различной формы [7, 11-13]. Выбор величины нагрузки позволяет управлять фазой переизлученного поля и диаграммой направленности решетки в целом.

Типичная схема комбинирования отражательных решеток и микрополосковых рассеивателей изображена на рис.3. Первое упоминание об использовании микрополосковых элементов для отражательных решеток было найдено в работе [14] 1978 года. В том же году, первая попытка проанализировать элемент отражательной решетки с использованием приближения бесконечной решетки было произведено Монтгомери [15]. В конце 1980х - начале 1990х, различные печатные микрополосковые отражательные решетки стали разрабатываться в целях уменьшения размеров и массы антенн. Например, антенна (рис.4) [16-21], состоящая из идентичных прямоугольных элементов с линиями задержки фазы. Эти небольшие отрезки размером не более половины длины волны компенсируют прямоугольная патч-антенна ч микрополосковая линия задержки земля диэлектрическая подложка

Рис.3

Рис.4 разницу фазовых набегов от облучающего элемента до рассеивающего. С учетом того, что линии задержки согласованы с микрополосковыми рассеивателями, сигнал излучаемый рупором, принимается рассеивателем, поступает в линию задержки, отражается от её открытого конца (коэффициент отражения равен 1), возвращается обратно с измененной фазой в рассеиватель и переизлучается. Таким образом, софазированные сигналы излучаемые различными элементами решетки образуют плоский волновой фронт в дальней зоне.

В другом подходе используются диполи различной длины (рис. 5) [22]. Вариация длины диполей приводит к изменению импедансов рассеивания и, соответственно, различным сдвигам фаз переизлученных полей, компенсирующие разницу хода сигналов до элементов решетки. Аналогично работает и решетка из прямоугольных микрополосковых элементов различных размеров (рис. 6) [23]. Решетки из элементов разных размеров

Рис.5 выигрывают в части энергоэффективности перед решетками, использующими линии задержки, из-за потерь на излучение этими линиями.

Другое решение — это использование микрополосковых элементов с круговой поляризацией одинаковых размеров, но расположенных под разными углами, для формирования софазированных в дальней зоне лучей. В работах [24, 25] размеры элементов и линий задержки были зафиксированы, однако их положение менялось поворотом на некоторый угол, который вносил изменение фазы вдвое большее, чем величина угла поворота в градусах. Этот подход показал высокую эффективность в части уменьшения уровня боковых лепестков и кросполяризации из-за эффекта усреднения псевдо-случайного расположения рассеивателей и отсутствия зеркального отражения лучей, так как теперь для всех элементов резонансная частота одинаковая.

Рис.6 14

В дополнение к выше описанным подходам в 1990-х годах появились новые. Например, печатные диполи различной длины использовались в качестве элементов отражательной решетки с частотным качанием луча (рис. 7) [26]. При изменении рабочей частоты и положения облучателя изменение электрического расстояния между элементами приводит к вариациям фазы каждого ряда элементов и, соответственно, изменению направления главного луча диаграммы направленности. Фиксация положения облучателя при изменяемой рабочей частоте приводит к уширению лепестка и уменьшению КУ антенны, из-за того что разница набега фаз у соответствующих элементов при этом остается неизменной. Конфигурация печатных кольцевых элементов разных диаметров, концентрически расположенных по зонам Френеля, также использовалась для фокусировки излучения (рис. 8) [27]. Каждая кольцевая зона, разница хода между которыми составляет целое число длин волн, состоит из идентичных по размеру элементов. В различных зонах - кольца различны, и специально рассчитаны таким образом, чтобы сформировать один главный лепесток диаграммы направленности. Однако, такой отражатель не является самым эффективным, так как сдвиг фазы осуществляется с большим дискретом.

В 1996 году на конференции по фазированным антенным решеткам была представлена отражательная антенная решетка [28] с возможностью управления лучом диаграммы направленности в широких (±45°) пределах, работающая на частоте 94 ГГц, использующая PIN-диодные однопозиционные фазовращатели. Дипольные элементы печатаются на подложке, на которой размещаются встроенные кремниевые pin-диоды. Другая конструкция, работающая на частоте 35 ГГц [29], также была

Рис.8 представлена на этой конференции, в ней использовались волноводные или диэлектические элементы со встроенными трехбитными ферритовыми фазовращателями, управление диаграммой осуществлялось в пределах ±25°. Диаметр шестиугольной решетки составлял 64 см, состояла она из 3600 элементов расположенных на расстоянии 1,1 длины волны друг от друга. Каждый элемент имел плоскую ДН, с острыми краями для уменьшения боковых лепестков в решетке. Управление осуществлялось встроенными ферритовыми фазовращателями. В антенной решетке, разработанной исследовательским центром NASA Glenn Research Center, в целях уменьшения размеров для вращения фазы использовалось тонкопленочное ферроэлектрическое устройство, Ba0.06Sr0.40Ti03(BST) [30]. Система работала на частоте 19 ГГц, в С-диапазоне потери фазовращателей составляли около 2 дБ, на частоте 19 ГГц - до 4 дБ.

Более поздние антенные решетки с управляемой ДН использовали диоды-варикапы [31, 32], где необходимы только одна или две линии управления. Конфигурация отражательной решетки с элементами — двумя половинками микрополоскового прямоугольного рассеивателя, соединенными диодами варикапами, представлена на рис. 9. Каждый диод обратно смещен и управляется постоянным напряжением, изменение которого приводит к изменению фазы поля, переизлучаемого каждым элементом решетки. В такой конструкции требуется 1-2 линии управления на каждый элемент решетки, в традиционных фазовращательных схемах необходимо до 12 диодов и 12 линий управления на каждый. Таким образом, это фактор становится очень важным при создании больших решеток с большим числом элементов. Лабораторный прототип антенны для С-диапазона, состоящий из 70 элементов с варикапами представлен на рис. 9, совместно с набором диаграмм. Луч управляется в пределах ±50°. Потери диода в данном диапазоне составляют до 2 дБ, и могут увеличиваться в миллиметровом диапазоне частот. Ещё одним ограничением в использовании таких диодов может стать их размер/упаковка/корпус.

Рис.9

В качестве управляемых элементов в отражательных решетках используются как рт-диоды, позволяющие осуществлять дискретное подключение и отключение элементов системы, а, следовательно, дискретно управлять фазой переотраженного поля, так и диоды-варикапы, дающие возможность плавной перестройки параметров нагрузок за счет изменения напряжения смещения, и, следовательно, позволяющие плавно перестраивать фазу переотраженного поля.

До настоящего момента отражательные антенные решетки считаются новой концепцией [33, 34] и практически распространены в гораздо меньшей степени, чем классические ФАР. Подобная ситуация во многом связана со сложностью разработки и оптимизации конструкции подобных антенн, обусловленная необходимостью решения задач одновременной оптимизации самих рассеивателей, их размещения на плоскости, взаимного размещения плоскости и облучателя при учете сильного взаимодействия всех элементов.

Примерно в то же время, в которое появились первые работы по отражательным антенным решеткам, для дециметрового и более длинноволновых диапазонов была предложена антенна, образованная рассеивающими элементами, расположенными не на плоскости, а в пространстве вокруг активной антенны - облучателя.

Подобные антенные решетки с управляемыми рассеивателями получили название ESPAR антенн (Electronically Steerable Parasitic Array Radiators). Большинство ESPAR антенн [35-40] выполнено по схеме, предложенной в ранних работах (рис. 10) [41-43]: над металлической плоскостью (rg) располагается запитываемая с помощью коаксиального кабеля штыревая антенна (ha); вокруг этой антенны размещаются металлические штыри (1-6), соединяемые с металлической плоскостью через нагрузки-диоды (X;); к диодам прикладывается напряжение смещения, величина которого задает значение емкости нагрузки. Штыри имеют размер (hp) около четверти рабочей длины волны. Размеры круга (гр), образованного рассеивателями, как

19

I f

Рис.10 правило, не более одной рабочей длины волны. Поэтому коэффициенты усиления ранее исследованных ESPAR антенн редко достигают значения 10 дБи и в среднем колеблются от 5 дБи [44] до 9 дБи [39]. Привлекательным свойством ESPAR антенн является возможность кругового сканирования максимума диаграммы направленности. Отметим также, что схема ESPAR антенны может быть использована не только для настройки на источник полезного сигнала, но и для подавления помех от сторонних источников [35-37]. В частности, в [37] было показано, что одиночный внешний источник помех может быть устранен выбором специального режима работы антенны.

Тут необходимо упомянуть о некоторых модификациях стандартных решеток подобного типа. Первая из них это предпринятая в работе [45] попытка модификации стандартной ESPAR антенны за счет помещения ее в диэлектрик (рис.11) с проницаемостью 4,5 с целью уменьшения объема, занимаемого антенной, увеличения направленности при фиксированных геометрических размерах. Переход к такой системе, получившей в литературе название DE-ESPAR антенны (Dielectric Embedded ESPAR), позволил уменьшить объем антенной системы примерно на 80%, при этом КНД составил всего около 5 дБи.

Более существенной модификацией можно считать замену стандартных монополей на планарные излучающие элементы (рис. 12). В работах [46-53] предложено использовать круглые, квадратные и шестиугольные рассеиватели с центральным активным излучателем и окружающими его пассивными элементами, а также треугольные рассеиватели, образующие шестиугольник, один из сегментов которого является активным, а остальные пять - пассивными [48]. При этом коэффициенты усиления остаются на том же низком уровне как и у других модификаций ESPAR антенн.

Рис.11 p—d—1

Рис.12

Другая интересная конструкция антенны была предложена в работе [54], где активный дипольный элемент окружен в пространстве V-образными диполями с переключаемой нагрузкой, расположенной в центре антенны и имеющей 3 состояния (открыто, закорочено, дополнительная индуктивность) (рис.13). Однако численное моделирование такой антенны с помощью метода моментов показало, что ее коэффициент направленного действия не превышает 6—10 дБи.

Так же, как и для отражательных антенных решеток, для управления свойствами рассеивателей в ESPAR антеннах применяются как нагрузки с дискретными значениями импедансов, коммутация которых осуществляется с помощью pin-диодов, так и нагрузки на основе диодов-варикапов, позволяющих получать непрерывное изменение импеданса. Простота

Рис.13 конструкции и изготовления ESPAR антенн, а также отсутствие в них дорогих СВЧ элементов являются, пожалуй, самой главной их привлекательной особенностью.

Вместе с тем, ESPAR антенны, предложенные более тридцати лет назад, не нашли в то время реального применения.

Характерной особенностью как ESPAR антенн, так и описанных выше отражательных антенных решеток, которая затрудняла их разработку и применение, является наличие сильной электродинамической связи между отдельными элементами, их образующими, а также сложный характер связи между параметрами рассеивателя и характеристиками (амплитудой и фазой) переизлученного им поля. Эти особенности затрудняют анализ антенн и требуют создания особых систем управления. Сложность решения данных задач многократно возрастает для электрически больших решеток (имеющих высокий коэффициент усиления), поскольку для них необходимо использование большого числа рассеивающих элементов.

Развитие микроэлектроники, вычислительной техники, а также массовое распространение беспроводных систем связи вызвали новый интерес к антенным системам с управляемыми рассеивателями. Данный интерес обусловлен надеждами на получение на их основе простых, недорогих антенн с управляемыми в широких пределах диаграммами направленности, пригодных для массового внедрения. Для перехода к практической стадии создания подобных антенн необходимо решить ряд научных задач, связанных как с их электродинамикой, так и с системами и алгоритмами управления их характеристиками. В частности, необходимо решить задачу синтеза конструкции антенной решетки из множества взаимодействующих нагруженных рассеивателей, а также выбрать тип и характеристики рассеивателя, которые должны давать возможность получать желаемые характеристики и управляемость диаграммы направленности.

Целью данной диссертационной работы является выработка общих научных подходов к решению данных задач и демонстрация эффективности этих подходов на примере создания конкретной работоспособной антенной системы.

В настоящей работе предлагается концепция построения антенны, обеспечивающая высокий коэффициент усиления и управляемую диаграмму направленности. Антенна реализуется с использованием типичных для ESPAR антенн отдельно расположенных в пространстве рассеивающих дипольных элементов, образующих электрически большое зеркало, характерное для отражательных антенных решеток. Параметры рассеивателя изменяются за счет изменения импеданса полупроводникового диода, включенного в рассеиватель. Фактически, функции излучателя и фазовращателя при этом оказываются объединены в одном простом недорогом элементе. Предлагаемая конструкция антенны предоставляет широкие возможности по оперативному изменению расположения рассеивателей в пространстве, позволяя изменять форму зеркала, число рассеивателей, его образующих, и расстояния между ними. Предлагаемая конструкция также позволяет легко заменять сами рассеиватели. Все эти особенности конструкции антенны в сочетании с возможностями предварительного численного моделирования делают возможным проведение широкого спектра экспериментов по оптимизации параметров антенны и получение желаемых характеристик. Антенна при этом проста в изготовлении и имеет невысокую цену.

В работе в качестве технического требования к конкретной реализации антенной системы выбрано приближение ее параметров к параметрам широко используемых в настоящее время для организации дальних беспроводных каналов связи (например, с использованием WiFi оборудования) направленных антенн (параболической антенны, Уда-Яги и др.), а именно: достижение для диапазона частот 2,4 ГГц коэффициента усиления в 18 - 24 дБи. При этом на исследуемую антенну накладывается дополнительное требование: возможность поддержания высокого коэффициента усиления в диапазоне углов ±60° в горизонтальной плоскости и ±15° в вертикальной плоскости, достигаемого за счет перестройки диаграммы направленности. Размеры антенны выбраны аналогичными размерам параболической антенны с коэффициентом усиления 24 дБи: 100 х 60 см.

Новизна полученных результатов

Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. Разработаны общие подходы к построению управляемых отражательных антенных решеток с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей.

2. Создана, исследована и успешно испытана в реальных рабочих условиях управляемая отражательная антенная решетка больших электрических размеров, образованная трехмерным массивом нагруженных варикапами дипольных антенн, работающих в условиях сильной электродинамической связи друг с другом и с облучателем решетки. Единичный элемент решетки конструктивно прост и объединяет в себе функции излучателя и фазовращателя. Трехмерное расположение рассеивающих элементов позволяет добиться необходимого диапазона изменения фазы рассеянной волны при высоком значении амплитуды на апертуре решетки за счет использования рассеивателей, находящихся на разных расстояниях от апертуры.

3. Предложен и реализован метод оптимизации геометрических параметров единичного рассеивателя - элемента антенны, входящего в трехмерную систему взаимодействующих рассеивателей, на основе расчета и контроля интегральных характеристик всей системы (коэффициента усиления, формы диаграммы направленности, диапазона управления лучом диаграммы, широкополосности).

4. Впервые предложен и реализован на практике эффективный метод формирования диаграммы направленности подобной антенны, основанный на решении в реальном времени многомерной оптимизационной задачи по определению необходимых для формирования желаемой диаграммы направленности напряжений смещения на варикапах всех диполей. Метод позволяет производить автоматическую настройку антенной решетки на максимально достижимый для данной конструкции уровень излучаемой и принимаемой мощности в желаемом направлении даже при наличии возмущающих объектов вблизи антенны, неточностей в изготовлении элементов антенны или неисправности части из них. Кроме того, метод позволяет адаптировать диаграмму направленности к присутствию источников помех в реальной обстановке за счет формирования минимумов диаграммы направленности в направлении на эти источники. Настройка антенной решетки происходит в процессе ее самоорганизации, обеспечиваемой наличием обратной связи между сигналом на выходе решетки и параметрами рассеивателей.

5. Предложен и реализован метод расширения частотного диапазона разрабатываемой антенной решетки на основе комбинации дипольных рассеивателей, размеры и взаимное расположение которых в пространстве оптимизируются исходя из требуемой частотной полосы антенны и равномерности ее характеристик.

Степень обоснованности положений и выводов, сформулированных в диссертации

Обоснованность результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных методов численного анализа трехмерных электродинамических структур, таких как метод конечных элементов и метод моментов, а также основанных на них программных комплексов (Апбой Ш^Б, РЕКО, 1ЕЗБ), сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием различных программных комплексов, сопоставлением численных и экспериментальных результатов, их согласованностью с результатами других авторов, полученных для частных случаев.

Научная и практическая значимость результатов работы

Научная значимость работы состоит в получении результатов, способствующих формированию нового направления — теории антенных систем, построенных на базе массивов управляемых рассеивателей.

Практическая значимость работы состоит в разработке простой по конструкции и имеющей невысокую стоимость антенны сантиметрового диапазона, формой диаграммы направленности которой можно управлять, а также осуществлять сканирование главного лепестка диаграммы в большом диапазоне углов, изменять ширину этого лепестка, формировать минимумы в заданных направлениях.

Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: МТУ СИ, СПбГЭТУ, ФНПЦ ННИИРТ, НИФТИ, ФГНУ НИРФИ, ЦНИИС, а также для коммерческих компаний, занимающихся вопросами создания беспроводных систем связи в целях реализации масштабных сетей беспроводной связи среднего и дальнего радиусов действия (по технологиям \ViFi, \ViMAX, ЗО и т.п.).

Положения, выносимые на защиту

1. На основе трехмерных электродинамических структур, образованных большим числом дипольных элементов (рассеивателей), нагруженных варикапами и облучаемых единственным активным элементом, могут быть построены антенные решетки с высоким коэффициентом усиления и управляемой диаграммой направленности, отличающиеся от традиционных фазированных антенных решеток существенно более простой конструкцией, пониженным энергопотреблением системы управления, низкими потерями СВЧ мощности и расширенными возможностями по адаптации к окружающим условиям (присутствию возмущающих объектов, выходу из строя части элементов и т.п.)

2. Антенные решетки, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, позволяют обеспечивать широкий диапазон сканирования главного лепестка диаграммы направленности, а также могут быть использованы для создания адаптивных антенн, осуществляющих одновременно усиление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов.

3. Использование в антенных решетках комбинаций рассеивателей, настроенных на разные частоты, позволяет обеспечивать работу со сканированием диаграммы направленности в широком частотном диапазоне.

4. Управление параметрами антенных решеток, построенных с использованием массивов управляемых рассеивателей, должно проводиться с учетом их сильного взаимного влияния и может осуществляться с использованием алгоритмов многомерной оптимизации как на стадии проектирования антенны, так и при ее настройке в реальных условиях.

Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в научных журналах: Известия ВУЗов Радиофизика, Письма в ЖТФ, трудах и тезисах докладов научных конференций. Всего по теме диссертации опубликовано 20 работ.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и изложена на 208 страницах, включая рисунки (82 шт.) и таблицы (8 шт.), список литературы (16 стр.), приложение (33 стр.)

4.4 Выводы

В четвертой главе предложен и реализован метод расширения частотного диапазона разрабатываемой антенной решетки на основе комбинации дипольных рассеивателей, размеры и взаимное расположение которых в пространстве оптимизируются исходя из требуемой частотной полосы антенны и равномерности ее характеристик. Показана возможность расширения рабочей полосы частот антенной решетки на основе использования в решетке рассеивателей различных типов. Для лабораторной модели антенны диапазона 2,4 ГГц получена рабочая полоса частот в 200 МГц.

На основе массивов пассивных управляемых рассеивателей разработана приставка для стандартной параболической антенны, позволяющая управлять диаграммой направленности в азимутальной плоскости от -10° до +10° с коэффициентом усиления в направлениях максимального отклонения на 6 дБ выше, чем для неуправляемой антенны.

В данной главе описано использование разработанной отражательной антенной решетки в режиме работы «на просвет», т. е. в режиме линзы. Продемонстрирована возможность управления диаграммой направленности данной антенны. Показана необходимость модификации расположения рассеивателей для эффективного управления диаграммой направленности при высоком коэффициенте усиления.

Заключение.

Таким образом, в данной диссертационной работе приведены результаты аналитического и экспериментального исследования антенн с управляемой диаграммой направленности, построенных на основе систем управляемых пассивных рассеивателей.

В работе показано, что на основе трехмерных электродинамических структур, образованных большим числом дипольных элементов (рассеивателей), нагруженных варикапами и облучаемых единственным активным элементом, могут быть построены антенные системы с высоким коэффициентом усиления и управляемой диаграммой направленности, отличающиеся от традиционных фазированных антенных решеток существенно более простотой конструкцией, пониженным энергопотреблением системы управления и низкими потерями СВЧ мощности.

Разработанная антенна состоит из зеркала, образованного управляемыми рассеивателями, и облучателя. В качестве управляемых рассеивателей выбраны электрические вибраторы, нагруженные в центре емкостным импедансом, значение которого может изменяться. Вариация импеданса нагрузки позволяет настраивать фазу рассеянной вибратором волны. Одновременно с этим изменяется и амплитуда рассеянного поля. Конструкция антенны, в которой рассеиватели размещаются в пространстве, а не на плоскости, позволяет произвольным образом изменять взаимное расположение рассеивателей, что расширяет возможности по оптимизации ее структуры для получения тех или иных характеристик.

Также показано, что антенные системы, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, могут обеспечивать широкий диапазон сканирования главного лепестка диаграммы направленности. Прототип антенны, изготовленный для проведения лабораторных и полевых экспериментов, работает в диапазоне 2,4 ГГц, и при общих размерах 100 x 60 x30 см, коэффициент усиления антенны составляет 21,5 дБи с возможностью управлять главным лучом диаграммы направленности в диапазоне углов ±60° в горизонтальной плоскости и ±15° в вертикальной плоскости.

Энергопотребление системы управления антенной составило 7,7 Вт, при этом устройство связи, к которому подключается антенна, потребляет дополнительно 6 Вт.

В работе представлены результаты, показывающие, что антенные системы, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, могут быть использованы для создания адаптивных антенн, позволяющих осуществлять одновременно усиление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов. При удовлетворительном значении коэффициента усиления разработанной антенны в направлении источника "полезного" сигнала (порядка 18-21 дБи), уровень сигнала "помехи" составлял около -20 дБи.

Исследования антенной системы на основе комбинации рассеивателей, настроенных на разные частоты, показали возможность сканирования диаграммы направленности в широком частотном диапазоне. Применение рассеивателей с шириной полосы 50 МГц по уровню -1 дБ, масштабированных для двух центральных частот 2,42 ГГц и 2,62 ГГц, приводит к тому, что ширина полосы модифицированной антенны расширяется до 200 МГц (на уровне КУ равном 20 дБи).

Приведенные результаты численных экспериментов, полевых испытаний и экспериментов в антенной камере демонстрируют, что управление параметрами антенн, построенных с использованием массивов управляемых рассеивателей, должно проводиться с учетом их сильного взаимного влияния. Показано, что системы управления массивами взаимодействующих рассеивателей должны использовать принципы самоорганизации. При этом для обеспечения процесса самоорганизации в системе должна быть введена интеллектуальная обратная связь, включающая подсистему измерения оптимизируемого параметра (например, уровня принимаемого сигнала) и подсистему управления параметрами рассеивателей, которая работает с использованием информации о текущем значении оптимизируемого параметра и предыстории его поведения при различных значениях управляющих сигналов. Исследования демонстрируют, что управление параметрами антенн может осуществляться с использованием алгоритмов многомерной оптимизации, как на стадии разработки антенны, так и на стадии ее настройки в реальных условия. В последнем случае алгоритмы многомерной оптимизации реализуются в подсистеме управления системы обратной связи. Описана методика и подходы к оптимизации распределения напряжений по элементам антенны. По результатам исследования статистических характеристик сигналов (шумов) и исследования поведения выбранных алгоритмов оптимизации с этими сигналами был сделан вывод о том, что генетический алгоритм лучшим образом подходит как в процессе обучения (off-line оптимизации в антенной камере для формирования максимумов диаграмм направленности в фиксированных направлениях с использованием гармонического сигнала), так и для режима реальной работы (on-line оптимизация во время передачи данных) стохастических систем с большим числом параметров и исследуемой антенны в частности.

Дальнейшие исследования антенн, построенных на основе массивов управляемых рассеивателей должны вестись по следующим направлениям:

• анализ возможности и преимуществ использования отличных от диполей рассеивающих элементов, образующих решетку;

• экспериментальное и теоретическое исследование различных архитектур построения антенных решеток, образованных элементами, отличными от диполей;

• разработка алгоритмов оптимизации, позволяющих эффективно настраивать антенну в режиме адаптации к множеству источников сигналов;

• исследование возможности применения MEMS варакторов для управления параметрами рассеивателей.

1. Casas Е., Tong Chia, da Silva, M., Hujun Yin, Yang-Seok Choi // Proceedings of IEEE 58th Vehicular Technology Conference, 6—9 Oct. 2003, Spokane, WA, USA, V. 5, P. 3141

2. Parnes M.D., Vendik O.G., Korolkov V.D. // PIERS Online. 2006. V. 2, № 2. P. 130

3. E.A. Шорохова, B.A. Яшнов Дифракция электромагнитных волн на анизотропной цилиндрической неоднородности в плоском волноводе // Изв. вузов. Радиофизика. 2005.Т. XLVIII. № 7. С. 605615.

4. Обуховец В.А., Касьянов А.О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. Монография. М.:Радиофизика, 2006. 240 с.

5. Huang J., Encinar J.A. Reflectarray Antennas. Wiley Interscience IEEE Press, 2007. 216 p.

6. Berry D., Malech R., Kennedy W. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1963. V. 11, № 6. P. 645

7. Phelan H.R. // Microwave Journal. July 1977. V. 0. P. 67

8. Malagisi C.S. // Proceedings of Electronics and Aerospace Systems Convention, 25-27 Sept. 1978, New York. P. 186

9. Pozar D.M., Metzler T.A. // Electronics Letters. 1993. V. 29, № 8. P. 657

10. Huang J., Pogorzelski R.J. // IEEE Transactions Antennas and Propagation. 1998. V. 46. P. 650

11. C.S. Malagisi, "Microstrip disc element reflectarray," Electronics and Aerospace Systems conventio, Sept. 1978, pp. 186-192

12. J.P. Montgomery, "A microstrip reflectarray antenna element," Antenna Applications Symposium, University of Illinois, Sept. 1978

13. R.E. Munson and H. Haddad, "Microstrip reflectarray for satellite communication and RCS enhancement and reduction," U.S. patent 4,684,952, Washington, D.C., August 1987

14. J. Huang, "Microstrip reflectarray," IEEE AP-S/URSI symposium, London, Canada, June 1991, pp. 61-615.

15. T.A. Metzler, ""Design and analysis of microstrip reflectarray," Ph.D. Dissertation, University of Massachusetts, September 1992.

16. Y. Zhang, K. L. Wu, C. Wu, and J. Litva, "Microstrip reflectarray: full-wave analysis and design scheme," IEEE AP-S/URSI symposium, Ann Arbor, Michigan, June 1993, pp. 1386-1389.

17. R.D. Javor, X.D. Wu, and K. Chang, "Beam steering of a microstrip flat reflectarray antenna," IEEE AP-S/URSI symposium, Seattle, Washington, June 1994, pp. 956-959.

18. D.C. Chang and M.C. Huang, ""Multiple polarzation microstrip reflectarray antenna with high efficiency and low cross-polarization," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 43, August 1995, pp. 829-834.

19. Klekar, "FLAPS: conformal phased reflecting serfaces," Proc. IEEE National Radar Conf., Los Angeles, California, March 1991, pp.58-62.

20. D.M. Pozar and T.A. Metzler, "Analysis of reflectarray antenna using microstrip patches of variable size," Electronics Letters, April 1993, pp. 657-658.

21. J. Huang, "Bandwidth study of microstrip reflectarray and a novel phsed reflectarray concept," IEEE AP-S/URSI symposium, Newport Beach, California, June 1995, pp. 582-585.

22. J. Huang and R.J. Pogorzelski, "A Ka-band microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 46, May 1998, pp. 650-656.

23. F.S. Johansson, "A new planar grating-reflector antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 38, Sept. 1990, pp. 1491-1495

24. Y.T. Gao and S.K. Barton, "Phase correcting zonal reflector incorporating rings," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 43, April 1995, pp. 350-355.

25. J.M. Colin, "Phased array radars in France: present and future," IEEE symposium on Phased Array System and Technology, Boston, Massachusetts, October 1996, pp. 458-462.

26. F.Xiong and R.Romanofsky, "Study of the behavior of digital modulations of beam steerable reflectarray antennas," IEEE Trans. Antennas Propagat., March 2005, pp. 1083-1097.

27. L. Boccia, F. Venneri, G. Amendola, and G. Di Massa, "Application of varactor diodes for reflectarray phase control," IEEE AP-S/URSI Symposium, San Antonio, Texas, June 2002, Vol. 3, pp. 132-135

28. S.V. Hum and M. Okoniewski, "An electronically tunable reflectarray using varactor-diode-tuned elements," IEEE AP-S/URSI Symposium, Monterey, California, June 2004, Vol.2, pp. 1827-1830.

29. Boccia L., Venneri F., Amendola G., Massa G.D. // Proceedings of IEEE AP-S/URSI Symposium, 16--21 June 2002, San Antonio, Texas. V. 3.1. P.132

30. Hum S.Y., Okoniewski M. // Proceedings of IEEE AP-S/URSI Symposium, 20-26 June 2004, Monterey, California. V. 2, P. 1827

31. Dinger R.J., Meyers W.D. A compact HF antenna array using reactively-terminated parasitic elements for pattern control. Washington DC: Naval Research Laboratory, 1982. 36 p.

32. Dinger R.J. // IEEE Transactions Antennas and Propagation. 1984. V. 32, № 8. P. 848

33. Dinger R.J. // IEEE Transactions Antennas and Propagation. 1986. V. 34, № 3. P.427

34. Ohira T., Gyoda K. // Proceedings of IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology, 21—25 May 2000, Dana Point, California. P. 101

35. Gyoda K., Ohira T. // Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 16—21 July 2000, Salt Lake City, UT , USA. V. 2. P. 922

36. Ojiro Y., Kawakami H., Gyoda K., Ohira T. // Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 8--13 July 2001, Boston, USA. V. 4. P. 18

37. Harrington R. F., Mautz J. R. Reactively loaded directive arrays. Office of Naval Research and Syracuse University, 1974

38. Harrington R. F. // IEEE Transactions Antennas and Propagation. 1978. V. 26, № 3. P. 390

39. Luzwick J., Harrington R. F. // IEEE Transactions Antennas and Propagation. 1978. V. 26, № 4, P. 543

40. Cheng J., Hashiguchi M., Iigusa K., Ohira T. // IEE Proceedings Microwaves, Antennas and Propagation. 2003. V. 150, № 4. P. 203

41. Lu, J.; Ireland, D.; Schlub, R.;, "Dielectric Embedded ESPAR (DE-ESPAR) Antenna Array for Wireless Communications," Antennas and Propagation, IEEE Transactions on , vol.53, no.8, pp. 2437- 2443, Aug. 2005

42. Dinger, R.;, "Adaptive microstrip antenna array using reactively terminated parasitic elements," Antennas and Propagation Society International Symposium, 1982 , vol.20, no., pp. 300- 303, May 1982

43. Dinger, R.J.;, "A Planar 4.0 ГГц Reactively Steered Adaptive Array," Microwave Symposium Digest, MTT-S International, vol.84, no.l, pp. 303-305, May 1984

44. Hui Li; Feng, Z.H.;, "Switched planar hexagonal array of equilateral triangle patches for HIPERLAN terminals," Microwave and Millimeter Wave Technology, 2004. ICMMT 4th International Conference on, Proceedings , vol., no., pp. 204- 206, 18-21 Aug. 2004

45. Min Shi; Junwei Lu; Ireland, D J.;, "Smart patch antenna for indoor mobile wireless computing," Microwave Conference Proceedings, 2005. APMC 2005. Asia-Pacific Conference Proceedings , vol.3, no., pp. 4 pp., 4-7 Dec. 2005

46. Nishiyama, E.; Hisadomi, R.; Aikawa, M.; , "Beam controllable microstrip antenna with switching diode," Antennas and Propagation Society International Symposium 2006, IEEE , vol., no., pp.2337-2340, 9-14 July 2006

47. Yassir, M.; Kimura, Y.; Haneishi, M.;, "A consideration on a Beam Adjustable Microstrip Array Antenna," Microwave Conference, 2006. APMC 2006. Asia-Pacific , vol., no., pp.343-346, 12-15 Dec. 2006

48. Yusuf, Y.; Xun Gong;, "Beam-steerable patch antenna array using parasitic coupling and reactive loading," Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007 IEEE , vol., no., pp.4693-4696, 9-15 June 2007

49. Chen, W.H.; Sun, J.W.; Wang, X.; Feng, Z.H.; Chen, F.L.; Furuya, Y.; Kuramoto, A.;, "A Novel Planar Switched Parasitic Array Antenna With Steered Conical Pattern," Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.55, no.6, pp. 1883-1887, June 2007

50. Sutinjo, A., Okoniewski, M., Johnston, R.H., An Octave Band Switched Parasitic Beam-Steering Array // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, V.6, P.211-214.

51. Авдеев С. M., Бей H. А., Морозов А. Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. М.: Радио и связь, 1987. 126 с.

52. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широко диапазонных антенн и фидерных устройств. М.: Энергия, 1973. 440 с.

53. Humphries Jr. S. Field Solutions on Computers. CRC Press, 1998. 385 p

54. Jianming Jin, The finite element method in electromagnetics. New York: A Wiley-Interscience Publication, 2002.

55. W. B. Bickford, A First Cource in the Finite Element Method. Homewood, IL: Richard D. Irwin, 1990.

56. K. H. Huebner, E. A. Thornton, and T.G. Byrom, The Finite Element Method for Engineers (3rd edition). New York: Wiley, 1995

57. S. G. Mikhlin, Variational Methods in Mathematical Physics. New York: Macmilan, 1964.

58. С. H. Wilcox, An expansion theorem for electromagnetic fields, Commun. Pure Appl. Math., 1956. V. 9, pp. 115-132.

59. A. Bayliss, M. Gunzburger, and E. Turkel, Boundary conditions for the numeical solution of elliptic equations in exterior regions, SIAM J. Appl. Math., 1982. V. 42, pp. 430-451.

60. A. F. Peterson, Absorbing boundary conditions for the vector wave equation, Microwave Opt. Tech. Lett., 1988. V. 1, pp. 62-64.

61. J. P. Webb and V. N. Kanellopoulos, Absorbing boundary conditions for the finite element solution of the vector wave equation, Microwave Opt. Tech. Lett., 1989. V. 2, pp. 370-372.66. http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/

62. Teng H.C., Yang Y., Cherng S. and others // Proceedings of IEEE International Workshop on Antenna Technology, 2—4 March 2009, Santa Monica, CA. P. 1

63. Qing Han, Hanna B., Inagaki K., Ohira T. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. V. 54, № 12, P. 3713

64. Mitilineos S.A., Mougiakos K.S., Thomopoulos S.C.A. // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2009. V .51, № 2, P. 118

65. Wang H., Fang D.G., Wang X.L. // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, 16—20 Dec. 2008, Macau, P. 1

66. Zhengyi Li, Zhengwei Du, Ke Gong // Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, 7—10 Dec. 2009, Singapore, P. 1821

67. Iigusa K., Ohira T., Komiyama B. // Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications). 2006. V. 89, № 3, P. 21

68. H. Cheung, S. Raj, "Implementation of 12-bit delta-sigma DAC with MSC12xx controller'Talnitkar S., "Verilog HDL (2nd Edition)", Pearson Education, 2003, 450p

69. Serial Peripheral Interface Bus. http://en.wikipedia.org/wiki/Serialperipheral interface

70. Пермяков В.А., Корюкин A.H. Мгновенные и средние по времени диаграммы направленности антенн. // Антенны. 2008. № 4. С. 3 5.

71. D. Linden, "An Evolvable antenna system for optimizing signal strength in-situ", 2002

72. D. Linden, "A system for evolving antennas in-situ", 2001

73. D. Linden, "Optimizing Signal Strength Using an Evolvable Antenna System", Proceedings of the 2002 NASA/DOD Conference on Evolvable Hardware (EH'02), 2002

74. Weise Т., "Global optimization Algorithms, Theory and application", http://www.it-weise.de/projects/book.pdf

75. R. Haupt, D. Werner, "Genetic algorithms in electomagnetics", Wiley Interscience, 2007

76. F. Villegas, "Parallel Genetic-Algorithm Optimization of Shaped Beam Coverage Areas using Planar 2-D Phased Arrays", IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 55, no. 6, June 2007

77. Q. Han, V. Briend, T. Ohira, "Evaluation of the Adaptive Beamforming Capability of an ESPAR antenna using Genetic Algorithm" //Proceedings of the 9th European Conference on Wireless Technology, pp.59-62, 2006

78. Jinand N., Rahmat-Samii Y., "Particle Swarm Optimization for Antenna Designs in Engineering Electromagnetics", Journal of Artificial Evolution and Applications, Volume 2008, ArticlelD 728929

79. Войнов Б.С. Информационные технологии и системы. В 2-х частях. 41. Методология синтеза новых решений. М.: Наука, 2003.

80. Chebrolu K., Raman B., Sen S. // Proceedings of the 12th annual international conference on Mobile computing and networking, 23—26 September 2006, New York, NY, USA, P. 74

81. Ruze, J., "Lateral feed displasement in a paraboloid," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 13, 660(665, 1965.

82. Winter, C. H., "Phase-scanning experiments with two-reflector antenna systems," Proceedings of the IEEE, Vol. 56, No. 11, 1984-1999, 1968.

83. Duran, G. J., D. V. Thiel, and G. O'Keefe, "Switched parasitic feeds for parabolic antenna angle diversity," Microwawe and Optical Tech. Letters, Vol. 23, No. 4, 200-203, 1999.

84. VIRTEX-4 // Труды VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005». С.-Петербург, 2005. С. 315-320.

85. А7. Ragozin D.V., Shuralev М.О., Sokolov М.А. , Mordvinov D.K. DSP core for hardware based CIL machine // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Conference. Odessa, 2005. P. 131 136.

86. A8. Умнов А.Л., Шуралев M.O. Моделирование антенны с пассивными рассеивателями в среде HFSS // Труды 10-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ННГУ, 2006. С. 83 — 85.

87. А9. Ильина Д.А., Умнов A.JL, Филимонов В.А., Шуралев М.О. Экспериментальное исследование антенны, построенной на основе зеркала с управляемым импедансом // Труды 11-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2007. С. 239-241.

88. А10. Shuralev М.О., Sokolov М.А., Umnov A.L. Low-cost adaptive Wi-Fi antenna for long-distance communications // Труды 11-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 2007. С. 259 — 260.

89. AlljFilimonov V., Mainwaring A., Shishalov I., Shuralev М.О., Umnov A. Adaptive reactance parasitic antenna array // Proceedings of Sarnoff Symposium. Nassau Inn in Princeton (USA), 2007. P. 1 — 5.

90. A13. Ельцов А.Ю., Соколов M.A., Шуралев M.O. Модификация канального уровня сетей 812.11 для адаптивных антенн // Труды 12-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2008. С. 278 280.

91. А16. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю. Антенна с управляемой диаграммой направленности на основе зеркала, сформированного системой дипольных рассеивателей // 14-ая

92. Научная сессия молодых ученых: тез. докл. Нижний Новгород, 2009.

93. А 17. A.U. Eltsov, Shuralev М.О., Sokolov М.А. , Umnov A.L. Adaptive antenna scatterer characteristics improving // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: TAJIAM, 2009. С. 260-262.

94. А18. Ельцов А.Ю., Соколов М.А., Шуралев М.О. Применение эволюционных алгоритмов оптимизации в адаптивных антенных решетках на основе пассивных рассеивателей // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: TAJIAM, 2009. С. 9-10.

95. А19. Shuralev М.О., Umnov A.L. , Mainwaring A., Sokolov M.A. , Eltsov A.U. Experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna dipole array // Proceedings of the Progress in Electromagnetic Research Symposium. Moscow, 2009. P. 175 180.