Антенны для приема сверхширокополосных сигналов в аппаратуре радиомониторинга и радиопеленгации

Актуальность работы. Одной из основных тенденций развития аппаратуры связи и телекоммуникаций, измерительной радиоаппаратуры, а такжерадиолокационных комплексов и средств радиоэлектронной борьбы, является использование широкополосных и сверхширокополосных сигналов. Весьма перспективным направлением развития радиоэлектронных систем различного назначения (в частности, аппаратура стандарта UWB), является использование сверхкоротких импульсов, характеризующихся наносекундной и субнаносе-кундной длительностью.

Поэтому современная аппаратура радиомониторинга и радиопеленгации должна обеспечивать надежный поиск и точное измерение параметров фиксируемых сигналов, в том числе — и в моноимпульсном режиме.

Эффективность аппаратуры радиоконтроля напрямую зависит от характеристик используемых в ней антенных систем и устройств. Важным требованием, предъявляемым к аппаратуре радиопеленгации и радиомониторинга, является надежное и точное разрешение источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот, однако, не менее важным требованием является обеспечение ее высокой живучести, непосредственно связанной со степенью ее заметно-сти, в значительной мере определяемой габаритными размерами антенной системы. Поэтому к антеннам, используемым в аппаратуре радиоконтроля, предъявляются требования минимального искажения принимаемых сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов в угловой зоне ее обзора, обеспечения достаточно высокого уровня сигналов, передаваемых в приемное устройство, возможности разрешения источников радиоизлучения с близкими значениями угловых координат, и вместе с тем, иметь приемлемые габаритные размеры и массу.

Исследованиям в области Теории сверхширокополосной радиоэлектроники, а также разработке широкополосных и сверхширокополосных антенн посвящены работы В. Б. Авдеева, Д. В. Авдеевой, Г. В. Анцева, H.A. Арманда,.

Л.Ю. Астанина, A.B. Ашихмина, Л. Д. Бахраха, A.M. Бобрешова, Д. И. Воскре.

1 I сенского, А. Ю. Гринева, И. Я. Иммореева, А.Ф. Кардо-Сысосева, А.П. Куроч-кина, В. Ф. Лося, Ю, Б. Нечаева, Ю. Г. Пастернака, И. В. Попова, Д. М. Сазонова,.

B.А. Сарычева, Б. В. Сестрорецкого, В. Н. Скосырева, А. Д. Французова,.

C.Л. Чернышева, Ю. В. Юханова, В. И. Юдина, А. П. Ярыгина и др.

Тем не менее, ряд важных задач, таких как: излучение и прием сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов с минимальными искажениями их амплитудных, фазовых и поляризационных характеристиксоздание малогабаритных антенных систем, обладающих высокой чувствительностью в сверхшироком диапазоне частот их функционированияповышение эффективности существующих и разрабатываемых комплексов радиопеленгации и радиомониторинга посредством качественного улучшения входящих в их состав элементов антенных решеток, остается не решенным или решенным не в полной мере.

Данные обстоятельства делают актуальной тему настоящей диссертации, выполненной в рамках ряда проводимых в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж) и ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета — «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Целью диссертационной работы является: разработка методик исследования и коррекции искажений, создаваемых антеннами при излучении и приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, а также проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

— проведения анализа состояния теории сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов и перспектив развития антенных систем комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот;

— разработки методики исследования искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых ТЕМ-рупором, щелевой антенной бегущей волны и вибраторной логопериодической антенной;

— создания и исследования методики компенсации искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых логопериодической антенной;

— разработки и исследования методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхшироком диапазоне ее функционирования;

— разработки и апробации методики проектирования антенной системы, элементами которой являются симметричные сверхширокополосные вибраторы, запитываемые неоднородными щелевыми линиями с потерями на излучение.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений, методы натурных экспериментальных измерений характеристик антенн.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана методика, позволяющая оценить амплитудные, фазовые и поляризационные искажения, вносимые сверхширокополосными антеннами (ТЕМ-рупоры, вибраторные логопериодические антенны и щелевые антенны бегущей волны) при излучении и приеме сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов, а также позволяющая проектировать вышеупомянутые антенные устройства, отличающиеся малой степенью искажений структуры сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов;

— разработана и исследована методика компенсации искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов, принимаемых вибраторной логопериодической антенной, основанная на предварительной коррекции фазовых искажений с помощью многозвенного полоскового устройства с сосредоточенными реактивными элементами, возникающих вследствие сильной дисперсии времени задержки спектральных компонентов принимаемых сигналов, и позволяющая существенно сократить эффективную длительность импульсов и сохранить их форму;

— разработана и исследована методика проектирования щелевых антенн бегущей волны, отличающихся улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот, на основе параметрического синтеза согласующих резонансных шлейфов, компенсирующих индуктивный характер входного сопротивления антенных элементов в низкочастотной области их функционирования, позволяющая существенно снизить уровень коэффициента отражения на их входе- •.

— предложена и апробирована методика проектирования сверхширокополосных антенных систем, составленных из гибридных элементов, представляющих собой симметричные электрические вибраторы, запитываемые квазищелевыми линиями с потерями на излучение, использование которых в комплексах радиопеленгации и радиомониторинга позволяет уменьшить число подрешеток антенной системы за счет функционирования ее элементов в сверхширокой полосе частот и существенно повысить ее чувствительность в высокочастотной области функционирования за счет направленных свойств гибридных антенных элементов.

Практическая ценность работы заключается в:

— снижении числа литер^{адиопеленгаторных} антенных систем, состоящих из гибридных антенных элементов;

— существенном — до 10 дБ — повышении чувствительности аппаратуры радиоконтроля, оснащенной разработанными антенными системами с направленными элементами, не имеющими фазового центра;

— минимизации степени искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых разработанными антенными устройствами и системами.

Разработанные антенные устройства и методики их проектирования могут быть также использованы для совершенствования систем связи, дистанционного управления и радиоэлектронной борьбы.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в: НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж), а также внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения, выносимые на защиту;

— методика оценки причин и степени деформации сверхкороткоимпульс-ных сигналов при их формировании сверхширокополосными антеннами: ТЕМ-рупором, вибраторной логопериодической и антенной Вивальди, а также выявления характера зависимости наблюдаемых искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов от направления их излучения одиночными и в составе радиопеленгаторных антенных решеток элементами Вивальди и ТЕМ-рупорами;

— методика синтеза цепей предварительной фазовой коррекции в двух вариантах исполнения: с использованием только сосредоточенных реактивных элементов и с применением комбинации отрезков полосковой линии передачи с сосредоточенными Lи С-элементами для компенсации искажений фазового спектра сверхширокополосного сигнала, принимаемого или излучаемого вибраторной логопериодической антенной- - методика параметрического синтеза щелевой антенны бегущей волны, входящей в состав радиопеленгаторной антенной системы, позволяющая, при незначительном увеличении габаритов антенны, существенно улучшить ее согласование с фидерной линией в низкочастотной области функционирования высокочастотной литеры;

— методика проектирования сверхширокополосных гибридных антенных элементов и результаты натурных исследований аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, включающей в себя экспериментальный макет антенной системы, составленной из гибридных элементов, позволяющие оценить эффективность применения синтезированных вибраторных антенн, обладающих направленными свойствами в верхней части рабочего диапазона системы радиоконтроля.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XIV-й — XVI-й международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2008 — 2010 гг.), «Иннова-тика 2007» (Сочи, 2007 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2007 — 2010 гг.), научных семинарах ВГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы и содержатся в 13 печатных работах, в том числе: 9 статьях (из них 6 — в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских и кандидатских диссертаций), 4 докладах на научно-технических конференциях. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [90] - разработка методики оптимизации характеристик антенны- [56 — 59] - разработка методики исследования искажений сверхкоротких импульсов- [83 — 85, 111] - проведение моделирования излучающих структур- [18] - поиск и предварительный анализ публикаций- [90, 91, 110, 112] - изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 188 страниц основного машинописного текста, 97 рисунков и 14 таблиц.

Список литературы

включает 113 наименований использованных источников.

176 • Заключение.

В рамках выполнения диссертационной работы разработаны методики выявления причин и оценки степени искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокОполосных сигналов, возникающих при их излучении или приеме сверхширокополосными антеннами, а также методики проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих существенно повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.