авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Сверхширокополосные модифицированные спиральные антенны

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Маркина Юлия Ивановна

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ МОДИФИЦИРОВАННЫЕ СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

Специальность 05.12.07 «Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог-2012

Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств Радиотехнического факультета

ФГАОУ ВПО Южного Федерального Университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Семенихина Диана Викторовна

(Южный федеральный университет, каф. АиРПУ)

Официальные оппоненты:

Габриэльян Дмитрий Давидович,

доктор технических наук, профессор,

ФГУП «Федеральный научный производственный центр РНИИРС», зам. начальника НТК по науке

Горин Алексей Михайлович

кандидат технических наук, доцент

ФГУП «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

ФГУП ГКБ аппаратно-программных систем «Связь»,

г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится 13 декабря 2012 года в 1420, в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» по адресу пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу:

ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, 344065.

Автореферат разослан 12 ноября 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.20,

к.т.н., доц. В.В. Савельев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день во многих системах пеленгования источников излучения, комплексах радиомониторинга и радионаблюдения широкая полоса их рабочих частот и прием сигналов с любой линейной поляризацией обеспечиваются за счет применения спиральных антенн. Среди прочих антенн спиральные антенны имеют больший потенциал для расширения полосы частот. Более современной и технологичной оказывается комбинация различных типов спиралей.

Спиральные антенны, в отличие от большинства современных антенн другого типа, являются наименее изученными. Теоретические сведения о них ограничиваются свойствами регулярных «бесконечных» Архимедовой и логарифмической спиралей. Наиболее известными являются работы В. Рамзея и О.А Юрцева, А.В. Рунова, А.Н. Казарина, которые содержат некоторые пояснения по теории бесконечных регулярных спиралей. В то же время известно, что спиральные антенны обладают наибольшей широкополосностью и могут принимать волны произвольной поляризации. Поэтому в диссертационной работе ставится задача изучения основных закономерностей излучения электромагнитных волн конечными комбинированными спиральными антеннами с учетом влияния их конструктивных и электродинамических параметров (экрана, поглотителей, нагрузок, формы спиралей, тела вращения, на которое намотана спираль). Задача решается численно путем электродинамического моделирования. Проводится исследование и сравнительный анализ характеристик антенн, таких как широкополосность и сектор углов одновременного обзора. В работе показывается, что на основе выявленных закономерностей возможно построение приемных спиральных антенн эллиптической поляризации, работающих в диапазоне частот от 0,8 до 25 ГГц (более 5 октав), и имеющих в этом диапазоне сектор углов одновременного обзора не менее ±57°.



Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является изучение возможности получения расширенного частотного диапазона спиральных антенн с широким сектором углов одновременного обзора путем исследования моделей модифицированных спиральных антенн, анализа конечных спиральных структур и построения этих антенн на поверхностях тел вращения, оптимизации их заполнения.

Объектом исследования являются модифицированные спиральные антенны, характеристики их дальних и ближних полей.

Предмет диссертационной работы

В диссертационной работе проводится исследование конечных комбинированных спиралей, осуществляется анализ влияния конструктивных и электродинамических параметров на характеристики излучения, ведется разработка конструкций сверхширокополосных спиральных антенн, которые могут быть применены на практике.

Задачами исследования в диссертационной работе являются:

- исследование конечных спиральных структур;

- разработка конструкций спиральных антенн;

-выявление основных закономерностей излучения конечных комбинированных спиралей;

- моделирование антенн, анализ полученных характеристик моделей;

- изготовление опытного образца антенны и сравнение характеристик, полученных при моделировании, с экспериментально полученными данными.

Научная новизна

1. На основе изучения модифицированных спиральных антенн показано, что комбинирование различных типов спиралей позволяет расширить диапазон рабочих частот антенны до 5…6 октав при секторе углов одновременного обзора, равном ±57°. Расширения сектора углов обзора и диапазона частот антенны можно добиться, выбирая угол конусности антенны в пределах 12°-15°, и угол намотки спирали на теле вращения, равный 2°, в антенне на усеченном конусе - 10°. Разработаны рекомендации по выбору параметров конструкции для достижения требуемого диапазона частот.

2. Произведен сравнительный анализ характеристик конечных комбинированных спиральных антенн и спиральных структур, показанных в литературе. Выявлены различия характеристик бесконечных структур, описанных ранее в литературе и конечных спиралей.

3. Разработана и изучена поглощающая структура для модифицированой спиральной антенны, которая также влияет на диапазонность антенны. Обнаружено изменение характеристик спиральных антенн при изменении параметров поглощающей структуры: аксиального отношения от -15 дБ до -0,9 дБ и ширины сектора углов одновременного обзора от ±57° до ±83° на частоте 800 МГц.

Практическая значимость

1. При расчетах конечных спиралей могут быть использованы установленные закономерности их излучения: подтверждено наличие дисперсии в конечной спирали, установлено, что периметр резонансного витка в конечной антенне не соответствует теоретически рассчитанному периметру резонансного витка бесконечной структуры, рекомендованы углы намотки спиралей и углы конусности антенны.

2. В работе даны рекомендации по выбору параметров поглощающей структуры антенны. Найденные зависимости коэффициента отражения от частоты для различных поглощающих структур могут быть использованы при проектировании сверхширокополосных модифицированных спиральных антенн.

Результаты диссертационной работы использованы на предприятии ФГУП «КНИРТИ» в рамках научно-исследовательской работы «Запарка» при разработке конструкции сверхширокополосной спиральной антенны.

Материалы работы использованы в проекте «Создание высокотехнологичного производства по изготовлению информационно-телекоммуникационных комплексов спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS/Galileo», выполняемого по постановлению правительства РФ №218.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применяется метод электродинамического моделирования, лежащий в основе пакета HFSS v.10, и метод моментов, являющийся основным в пакете FEKO v. 5.2.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов моделирования антенн подтверждается совпадением характеристик смоделированных антенн в пакетах САПР СВЧ HFSS v.10 и FEKO v. 5.2.

Достоверность расчетов также подтверждается проведенными измерениями опытного образца антенны и сравнением измеренных характеристик с данными, полученными при математическом моделировании.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 международных (международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Дивноморское, 2011, международная научно-техническая и научно-методическая интернет-конференция в режиме offline «Проблемы современной системотехники», Таганрог, 2009) и 3 всероссийских конференциях, а также конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры Антенн и Радиопередающих устройств Технологического института Южного Федерального университета 2008-2011 гг.

Публикации

По материалам настоящей диссертационной работы опубликовано 6 статей, из них три статьи в журналах и сборниках, утвержденных ВАК (одна статья в журнале «Антенны», одна – в журнале «Известия ЮФУ. Технические науки», одна – в журнале «Инженерный вестник Дона»).

Положения, выносимые на защиту:

- электродинамические модели комбинированных спиральных антенн, обеспечивающих работу в диапазоне частот 700МГц-25ГГц в секторе углов одновременного обзора ±57°;

  • установленные закономерности излучения конечных спиральных антенн с различными углами намотки спирали на телах вращения разной формы;
  • основные закономерности влияния экрана, нагрузок, а также количества и электродинамических параметров слоев поглощающей структуры, на характеристики антенны;
  • количественные и качественные оценки достижимых характеристик спиральных антенн в смысле их широкополосности;
  • разработанные конструкции спиральных антенн, отвечающие заданным требованиям по диапазону рабочих частот и сектору углов одновременного обзора;

- результаты измерений характеристик опытного образца спиральной антенны.

Личный вклад автора. Автору принадлежит: анализ спиральных антенн и их моделей; исследование комбинированных спиральных антенн, количественные и качественные оценки достижимых характеристик спиральных антенн, полученные исходя из результатов работы; формулировка выводов и положений, выносимых на защиту.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре раздела основной работы и заключение. Работа содержит 140 с., в том числе 128 с. основного текста, 128 рисунков, список литературы из 51 наименования использованных источников на 6 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы основные цели и задачи работы, обозначены положения, выносимые на защиту.

Первый раздел

В первом разделе работы проведен обзор типов антенн, применяемых в системах мониторинга на предприятиях как самостоятельные антенны или в составе антенных систем для пеленгования сигналов. Осуществлена оценка полосы частот, в которой работают те или иные типы антенн, а также сектор углов обзора, в котором антенны принимают сигналы.

Также рассмотрены способы расширения частотного диапазона антенн и принципы построения частотно-независимых антенн, поскольку именно такие антенны могут работать в диапазоне частот с перекрытием от 2…4 до 5…6 октав.

Описаны способы реализации однонаправленного излучения спиральных антенн. Рассмотрены типы поглотителей и экранирующих материалов. В результате анализа сделаны выводы, что существующие типы спиральных антенн либо недостаточно широкополосны, как, например, модулированные и извилистые спиральные антенны, либо, как синусоидальные антенны, излучают поле линейной поляризации, либо, при комбинировании плоских логарифмической и синусоидальной спиралей, имеют сравнительно небольшой сектор углов одновременного обзора. Исходя из этого, в диссертационной работе сформулированы следующие задачи:

- построить модели конечных двухзаходных спиральных структур с комбинированными спиралями;

- выявить основные закономерности достижения постоянства их характеристик с изменением частоты и расширения их частотных диапазонов и секторов углов одновременного обзора;

- спроектировать поглощающие слои, для того чтобы обеспечить однонаправленное излучение антенны;





- на основе выявленных закономерностей спроектировать спиральные антенны круговой поляризации, отличающиеся от известных большим диапазоном частот и сектором одновременного обзора, чем известные антенны.

Второй раздел диссертационной работы посвящен разработке и моделированию конструкций спиральных антенн.

Проведенный обзор и анализ типов антенн показал, что наибольшей широкополосностью обладают спиральные антенны, а комбинация различных типов спиралей позволяет добиться расширения диапазона частот антенны.

Для проектирования широкополосной антенны была выбрана конструкция спиральной антенны, включающая комбинированную двухзаходную архимедову, логарифмическую и коническую равноугольные спирали. Архимедова спираль обеспечивает работу антенны на верхних частотах диапазона, логарифмическая и коническая спирали необходимы для работы антенны на средних и нижних частотах.

Для того чтобы осуществить моделирование антенны, проведено математическое описание ветвей спиралей в декартовой и сферической системах координат.

Габаритные размеры антенны выбраны с учетом заданного частотного диапазона (от 700 МГц до 25 ГГц) с возможностью расширения этой полосы. Для того чтобы снизить габариты антенны, решено плоскую часть спиральной антенны совместить с усеченной конической антенной (рисунок 1).

а) б)

Рисунок 1 – Конструкция антенны; а) внутреннее устройство; б) вид сверху:

1 - диэлектрический конус, 2 – спираль, 3 - слой радиопоглощающего материала (РПМ), 4 – слой диэлектрика, 5 – металлический экран;

Внутри конструкции располагается цилиндр из диэлектрика, через который прокладывается кабель к основаниям ветвей спирали.

Для поглощения волны поверхностного тока, отраженной от концов спиралей, в конструкцию антенны включены согласованные нагрузки на концах спирали.

Важной частью проектирования антенны является выбор её режима питания. В ходе анализа предпочтение отдано противофазному режиму, при котором на ветви спирали поступают токи с противоположными фазами. Этот способ подключения обеспечивает осевой режим излучения, при котором диаграмма направленности антенны имеет максимум, расположенный на оси антенны. «Отсечка токов» в противофазном режиме работы наблюдается на витках, периметр которых больше длины волны.

Для обеспечения режима бегущей волны и однонаправленного излучения антенны разрабатываются и рассчитываются поглотители, состоящие из однородных слоев диэлектрических и поглощающих материалов и металлического экрана. На основе имеющегося решения задачи об отражении электромагнитных волн (ЭМВ) от плоских однородных слоев (в приближении бесконечной структуры), при помощи пакета MathCAD в зависимости от толщин, электродинамических параметров и количества слоев N рассчитываются коэффициенты отражения поглотителя. Исследуются частотные характеристики поглощающих структур, включающих различное количество слоев при нормальном падении волны. В результате отбираются структуры поглотителей с наименьшим коэффициентом отражения в заданном диапазоне частот.

Первый вид поглощающей структуры. Нижний слой структуры –радиопоглощающий материал марки ПМ-24, толщина которого по технологии производства равна 6,2 мм. Диэлектрическая проницаемость материала , магнитная проницаемость , где - тангенс угла диэлектрических потерь, - тангенс угла магнитных потерь.

Следующие шесть слоев составляют диэлектрики. Диэлектрические проницаемости слоев равны 2,95; 2,53; 2,13; 1,78; 1,51; 1,3. Толщины диэлектрических слоев увеличиваются с каждым последующим слоем и равны 4,4 мм, 4,7 мм, 5,1 мм, 5,6 мм; 6,1 мм, 6,5 мм.

Второй вид поглощающей структуры. Структура состоит из восьми чередующихся слоев радиопоглощающего материала и диэлектрических слоев. Радиопоглощающий материал марки ПМ-24, толщина слоев 6,2 и 12,4 мм (первый и последний слой). Диэлектрические слои имеют проницаемость = 2,95. Толщина слоев составляет 2,2 мм.

Третий вид поглощающей структуры. Структура состоит из шести слоев. Три слоя радиопоглощающего материала марки ПМ-24 толщиной 6,2 мм чередуются с тремя слоями диэлектрика толщиной 5 мм и проницаемостью 2,95.

На графике коэффициента отражения для третьей структуры (рисунок 2) видно, что на нижних частотах (до 2 ГГц) коэффициент отражения варьируется от минус 8 дБ до минус 24 дБ, а с ростом частоты становится равным -10 дБ при любом количестве слоев, кроме 4 и 6. Увеличение количества слоев до 6 позволяет уменьшить скачки на нижних частотах и получить провал коэффициента отражения до минус 14 дБ на частотах 15-16 ГГц (рисунок 2, а).

а) б)

Рисунок 2 – ЧХ коэффициента отражения для третьего вида поглощающей структуры при четном (а) и нечетном (б) количестве слоев;

на рис: 2 (а): от двух слоев (пунктирная линия), от четырех слоев (штрихпунктирная линия), от шести слоев (сплошная линия);

на рис. 2 (б): от одного слоя (штрихпунктирная линия), от трех слоев (пунктирная линия), от пяти слоев (сплошная линия)

Таким образом, коэффициент отражения для 6 слоев оказывается наименьшим в заданном диапазоне частот.

Для того чтобы избежать больших погрешностей в расчетах при практической реализации антенны, необходимо получить сведения об излучении конечных спиральных структур. Это возможно благодаря современным САПР, позволяющим проводить электродинамический анализ устройств СВЧ с помощью прямых и непрямых математических методов. Одной из таких САПР является пакет программ High Frequency Structure Simulator (HFSS). Для решения уравнений электродинамики в HFSS используется один из прямых математических методов – метод конечных элементов (Finite Element Method). Этот метод применяется для решения как трехмерных, так и двумерных задач.

Далее показаны этапы разработки HFSS-моделей спиральных антенн, отличающиеся углом намотки спирали и телом вращения, на которое она намотана.

Третий раздел

Для оценки характеристик смоделированной антенны в третьем разделе решены следующие задачи:

- проведено исследование антенны как замедляющей системы;

- исследованы характеристики антенн с различным углом конусности антенны, углом намотки спиралей;

- проанализировано влияние поглощающих и диэлектрических слоев на широкополосность антенны;

- исследованы характеристики антенн при изменении величины сопротивлений на концах спиралей;

- проведен анализ характеристик антенны на различных телах вращения;



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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