Разработка методов моделирования и исследование свойств излучателей на основе синхронных спиралей

Важной тенденцией в развитии телекоммуникационных и ряда других средств является их перевод на беспроводную, эфирную основу, что обуславливает необходимость дальнейшего развития антенных устройств, определяющих многие предельные показатели радиотехнических систем.

Развитие антенной техники и повышение требований к разработкам привело к актуализации новых проблем проектирования антенн. Многие из них связаны с получением требуемых характеристик, созданием антенн с уникальными свойствами — фазированных антенных решеток, адаптивных и сверхнаправленных антенн, а также широкополосных антенных устройств.

Расширение рабочей полосы антенн является одним из основных средств повышения информационной емкости и пропускной способности радиотехнических систем. Антенны обычно представляют собой сложные устройства, основной частью которых являются излучатели. Одним из наиболее важных и распространенных типов являются антенны на основе спиральных излучателей, широкое применение которых в радиотехнических системах подчеркивает важность развития теоретических основ их проектирования и конструирования, а также поиска новых типов спиральных излучателей и разработки методов проектирования антенн на их основе.

Основное отличие спиральных излучателей друг от друга заключается в их геометрии, числе заходов, шаге витков, которые можно считать их параметрами. Существенное значение имеет закон навивки спирали, который во многом определяет параметры антенны. В качестве параметра можно ввести также коэффициент замедления радиальной волны, широко используемый в диссертации и введенный в теории замедляющих систем как их характеристика.

В России развитию теории и практики использования спиральных антенн посвящены работы Казарина А. Н., Шестопалова В. П., Рунова А. В., Смирнова Н. Н., Сазонова Д. М., Чебышева В. В. и др. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Сенсипера С., Рамзея В., Йена Ю., Турнера Е., Риблета X., Жонеса Г.

В работах этих авторов были заложены и развиты теоретические основы функционирования антенн со спиральными излучателями, выявлены и проанализированы их основные свойства и режимы работы, получены основные расчетные соотношения, а также показаны достоинства и недостатки практического использования спиральных антенн, основным качеством которых является широкополосность и высокая частотная стабильность характеристик.

Проведенный анализ современного состояния развития теории спиральных антенн показал, что в данной области имеются вопросы, требующие дополнительной проработки и развития. К новым, малоисследованным типам антенн относятся плоские антенны, построенные на основе спиральных излучателей, отличающихся по конфигурации от наиболее известных — логарифмической и арифметической спиралей.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов моделирования и проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, а также исследованию их свойств. Синхронная спираль как излучатель для построения антенн и составная часть замедляющих систем была предложена в 1994 г. Солнцевым В. А. [19]. Исследование её характеристик, а также разработка метода проектирования, конструкции и получение расчетных соотношений является задачей, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение.

На основе проведенного в диссертационной работе анализа существующих типов излучателей для спиральных антенн и их свойств, а также описания синхронной спирали как геометрического объекта можно сформулировать цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка методов моделирования и исследование свойств синхронных спиральных излучателей, разработка метода расчета их характеристик, включая расчет диаграмм направленности для излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, а также алгоритма проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.

1. Проведен анализ использования антенн в современных радиотехнических системах и существующих типов спиральных антенн, их свойств и режимов работы, а также качественный анализ синхронной спирали как объекта исследования, что позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

2. На основе положений теории замедляющих систем проведен анализ дисперсионных свойств, что дало возможность обосновать с физической точки зрения основные режимы работы синхронного спирального излучателя.

3. На базе теории электродинамических потенциалов предложен метод моделирования и расчета диаграмм направленности излучения и основных характеристик для однозаходных синхронных спиральных излучателей. Выполнена проверка полученных соотношений путем сопоставления результатов расчета по предложенным формулам и компьютерного моделирования характеристик излучения синхронного спирального излучателя в программе ММапа.

4. Выполнено сопоставление диаграмм направленности арифметической, логарифмической и синхронной спиральных антенн для разных частот с целью установления их качественных и количественных различий и определения области применения излучателей нового типа.

5. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиралей, предполагающий использование методов, предложенных в диссертационной работе.

6. Разработан метод уточненного расчета диаграмм направленности для плоских излучателей, имеющих фазовый центр и расположенных над плоским отражающим экраном. Он необходим для проектирования антенн, в которых излучатель расположен на подложке над металлическим экраном.

7. Разработана методика расчета волнового сопротивления синхронной спирали, выполненной на слое диэлектрика над металлическим экраном, необходимая при использовании таких антенн в качестве излучающих элементов фазированных решеток.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 87 наименований, и приложения. Общий объем работы — 162 с. В приложение к диссертационной работе вынесены результаты моделирования арифметической, логарифмической и синхронной спиральной антенн для разных частот. Объем приложения — 21с.

2. Результаты работы внедрены в проектирование антенны, отражающей современные требования к характеристикам и параметрам приемно-излучающих структур, что еще раз подтверждает актуальность предложенных в диссертационной работе методов и методик. Разработанная конструкция антенны соответствует современному состоянию развития техники и технологии производства радиоэлектронных средств.

Заключение

.

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты.

1. На основе современного состояния развития и требования к антенным устройствам радиотехнических систем отмечены достоинства и недостатки существующих типов широкополосных спиральных антенн, выявлены перспективные направления развития широкополосных антенн. На основе выполненного анализа в качестве объекта исследований была выбрана плоская спиральная антенна с геометрией, отличной от известных. Анализ современного уровня исследований антенн этого типа позволил сформулировать направления дальнейших исследований.

2. Проанализированы дисперсионные свойства излучателей в форме синхронных спиралей, что дало возможность провести анализ режимов их работы. Установлено, что излучатели данного типа могут работать с нормальной положительной и аномальной отрицательной дисперсией. Показано существование обратной волны в синхронной спирали как основной и оказывающей существенное влияние на формирование диаграммы направленности излучателя.

3. Получены соотношения для расчета диаграмм направленности синхронных спиральных излучателей, расположенных в свободном пространстве, в приближении постоянной амплитуды возбуждающего тока, являющиеся основой для разработанного в диссертационной работе метода моделирования и расчета основных характеристик излучателей исследуемого типа. Он позволяет рассчитывать параметры излучателей на стадии проектирования антенн на их основе, что важно при решении практических инженерных задач. Достоверность полученных математических и других результатов подтверждена сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием предложенных математических соотношений и системы моделирования антенн ММапа.

4. Выполнено качественное и количественное исследование свойств излучателей в форме синхронных спиралей и их сопоставление с другими типами плоских спиральных антенн, что позволило установить основные отличия между ними, а также указать перспективные области их практического применения.

5. Разработан метод и алгоритм проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, позволяющий проектировать антенны нового типа. Предложенный метод предусматривает всестороннюю проработку вопросов, связанных с проектированием и конструированием, а также согласованием антенны с фидерным трактом в широкой полосе частот и расчетом дополнительных характеристик. Алгоритм проектирования базируется на методах и методиках, разработанных в диссертационной работе.

6. Разработан уточненный метод расчета диаграмм направленности для плоских излучающих систем, расположенных на диэлектрике над идеальным металлическим экраном, основанный на приближении геометрической оптики и её законах. Данный метод предназначен для расчета диаграмм направленности систем, имеющих фазовый центр, наличие которого и является критерием её применимости. Метод позволяет учесть ряд физических явлений, происходящих на границе раздела диэлектрика и пространства. На практике он позволяет более точно рассчитывать диаграммы направленности в случае использования экранов, и является составной частью предложенного в диссертации метода проектирования.

7. Разработана методика расчета волнового сопротивления антенн на основе синхронной спирали при её рассмотрении в качестве линии передачи, расположенной на диэлектрике над металлическим экраном. Данная методика может быть использована для расчета согласующих нагрузок в случае, когда синхронная спираль используется в качестве пассивного элемента антенной решетки, что позволяет на практике существенно улучшить их характеристики.

8. Выполнено исследование свойств двухзаходных спиральных излучателей в условиях синфазного и противофазного возбуждения. Оно показало, что при синфазном возбуждении обеспечивается' высокая стабильность формы диаграммы направленности, что позволяет при обеспечении широкополосного согласования получить коэффициент перекрытия по частоте более десяти. Это позволило расширить область предполагаемого использования антенн нового типа и указать на перспективность использования многозаходных синхронных спиральных излучателей.

9. Разработана конструкция антенн на основе синхронных спиралей, отвечающая современным требованиям, предъявляемым к антенным устройствам. Предложенная конструкция предусматривает применение излучателей в форме синхронной спирали совместно с отражающим экраном или без него и может быть использована в качестве базовой при использовании антенн нового типа в практических разработках.

10. На основе результатов, полученных в диссертационной работе, выполнено проектирование широкополосной антенны на основе синхронной спирали для устройства мониторинга сетей сотовой связи. Данное практическое приложение отражает современные требования, предъявляемые к антенным устройствам, а также иллюстрирует практическое применение предложенных методов и методик для решения инженерных задач.

11. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Московский государственный институт электроники и математики» на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и на кафедре «Радиоэлектроника», а также в разработку антенных устройств перспективных радиотехнических систем на Федеральном государственном унитарном предприятии Ордена Трудового Красного Знамени «Научно-исследовательский институт радио».