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 | 3 | 4 |

Антенны и антенные системы для загоризонтных рлс

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ ВАЛЕНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

АНТЕННЫ И АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ

ДЛЯ ЗАГОРИЗОНТНЫХ РЛС

Специальность 05.12.07 –

Антенны, СВЧ устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2012 г.

Работа выполнена на кафедре Антенных устройств и распространения радиоволн ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Сазонов Дмитрий Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Курочкин Александр Петрович
доктор технических наук, профессор
Гусевский Владлен Ильич
доктор технических наук, профессор
Шустов Эфир Иванович
Ведущая организация: ОАО «Радиотехнический институт»
им. академика А.Л. Минца(г.Москва)

Радиотехеский институт им. А.Л. Минца

Защита состоится ___________________ в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

Автореферат разослан « »_____________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы. Диссертация носит научно-практический характер и направлена на решение крупных научно-технических задач, имеющих большое народно-хозяйственное значение. Она посвящена вопросам оптимального проектирования сверх-широкополосных передающих и приемных антенн и активных антенных систем КВ диапазона для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной (земной) волны. Оптимальность подразумевает получение наилучших технических характеристик при предельно сниженных материальных затратах. В основу предлагаемой методики по проектированию и созданию новых конструкций КВ антенных систем положены:

  1. Обобщение опыта многолетних исследований автора, включая запатентованные и успешно реализованные технические решения.
  2. Численные методы машинного моделирования с использованием сертифици-рованных математических моделей.
  3. Полученные автором достаточно простые инженерные соотношения, позволяющие проектировать оптимальные АФУ.

Актуальность темы. Большинство эксплуатируемых в настоящее время РЛС работают в пределах прямой видимости и для своевременного обнаружения целей они должны располагаться вблизи границ, что затрудняет их защиту и обслуживание. Кроме того, в связи с небольшой дальностью действия таких РЛС, определяемой высотой антенн, их количество должно быть достаточно большим, чтобы закрыть все границы. Разумной альтернативой являются загоризонтные (ЗГ) РЛС, работающие в диапазоне коротких волн (КВ), т.е. на частотах от 3 до 30 МГц.



Само название загоризонтных РЛС говорит об их возможности обнаруживать цели за линией горизонта. При построении загоризонтных РЛС используется свойство отраже-ния волн КВ диапазона от ионосферы – в случае загоризонтных РЛС пространственной волны или малые потери в морской поверхности – в случае загоризонтных РЛС поверхностной волны.

Благодаря использованию в загоризонтных РЛС волн КВ диапазона удается обнаруживать цели, выполненные с применением технологии «Стелсс».

Как правило, загоризонтные РЛС пространственной волны располагаются внутри страны и, следовательно, лучше защищены, а благодаря большой дальности действия (~ 3500 км) и соответственно охвату значительных территорий, их количество может быть сведено до минимума – т.е. всего несколько РЛС на всю территорию страны. Поэтому, несмотря на достаточно высокую стоимость таких РЛС, актуальность создания загоризонтных РЛС сохраняется и по настоящее время. Кроме того, такие РЛС могут использоваться и при сопровождении гражданских самолетов над малонаселенными территориями страны.

В случае загоризонтных РЛС поверхностной волны, располагаемых у морской поверхности и служащих для наблюдения за морскими объектами, дальность действия составляет ~ 350 км. Эти РЛС могут широко использоваться и в мирных целях при геофизических исследованиях морей и океанов, что активно реализуется в последнее время.

При создании загоризонтных РЛС существенное значение имеют два обстоятельства. Во-первых, возможности ЗГ РЛС по дальности действия и точности определения координат наблюдаемых объектов напрямую зависят от таких параметров антенн как: ширина луча, коэффициент усиления, сектор обзора (сканирования ДН), полоса рабочих частот, согласование с передатчиком. Во вторых – поскольку загоризонт-ные РЛС работают в КВ диапазоне, то конструкции их антенн и антенных систем оказываются достаточно громоздкими, что и определяет их большую стоимость, которая в общей стоимости РЛС может достигать (40…50)%. Поэтому разработка и исследование новых принципов и схем построения оптимальных (с точки зрения материальных затрат) антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны является актуальной задачей, имеющей большое народно-хозяйственное значение.

Еще одной особенностью антенн КВ диапазона является трудность измерения их внешних характеристик в условиях реальной местности. Для этих целей необходимо создание сложных и дорогостоящих летных измерительных комплексов. При этом, в отличие от СВЧ антенн, не все характеристики КВ антенн можно измерить на их электродинамических моделях, поскольку масштаб моделирования оказывается очень большим и возникают трудности с практической реализацией таких моделей и их адекватностью с реальной антенной. Кроме того, исключается и возможность смоделировать влияние реальной почвы на внешние характеристики КВ антенн. Также не моделируется и влияние на характеристики приемных антенн внешних, атмосферных и галактических шумов.

Все перечисленные трудности создания подобных антенн и антенных систем выдвигают повышенные требования к их оптимальному проектированию. При этом практически единственным инструментом исследования подобных антенн является проведение численного моделирования с использованием компьютерных моделей.

В настоящее время отсутствует необходимая специальная литература, а также достаточно подробная и обоснованная методология оптимального проектирования подобных антенных систем, что приводит, в ряде случаев, к неоправданно большим затратам и построению не всегда качественных изделий.

Решению задач оптимального проектирования новых КВ антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС, а также ликвидации пробелов в специальной литературе и посвящена настоящая работа.

Целями диссертационной работы являются:

1) Разработка и исследование новых принципов построения оптимальных передающих и приемных сверхширокополосных антенн и активных антенных систем для загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны.

2) Разработка методологии их проектирования и исследования.

3) Реализация методологии проектирования в ряде новых запатентованных конкретных устройств.

Методика исследования. Общая методика исследований, в силу отмеченных выше экспериментальных трудностей, базируется, в основном, на процедуре численного моделирования.

Сравнительные исследования показали, что для этих целей наиболее подходящим является достаточно мощный сертифицированный программный комплекс MMANA, разработанный японским программистом Макото. В программе MMANA используется ядро MININEC, в котором производится численное решение интегрального уравнения, составленного относительно токов, текущих в проводах антенны. Решение ищется в тонкопроволочном приближении с помощью метода моментов. Таким образом, антенны КВ диапазона, выполняемые, как правило, из тонких проводов (rп<<), наиболее полно отвечают требованиям программы, что и позволяет получать результаты расчетов, хорошо совпадающие с экспериментальными данными.

В тех случаях, где не требуется учитывать влияние земли на характеристики антенн, исследования проводятся на физических моделях (макетах).

Научная новизна работы состоит в следующем:

– исследована и обоснована, предложенная автором, новая схема оптимального построения сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных фазированных антенных решёток (АФАР) диапазона КВ, обеспечивающая наилучшие технические характеристики при максимально сниженных материальных затратах;

– исследована и обоснована, предложенная автором, новая схема построения сверх-широкополосной активной антенной системы, позволяющая расширить в ~ 2 раза (с 40 % до 80 %) полосу электронной перестройки частоты передатчиков (усилителей мощности) в передающей АФАР, либо приемников (приемных каналов) в приемной АФАР и, тем самым, повысить дееспособность РЛС;

– разработан и исследован, предложенный автором, новый алгоритм согласования по шумам в приемных антеннах КВ диапазона;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной антенны КВ диапазона с управляемой поляризацией (Патент № 62740); результаты численного моделирования подтверждены экспериментом;

– разработана и исследована компьютерная модель для новой сверхшироко-полосной антенны вертикальной поляризации, в которой используются симметричные, укороченные в ~ 2 раза вибраторы с Тобразными плечами (Патент № 93590);

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной совмещенной приемной антенной системы вертикальной

поляризации для загоризонтных РЛС поверхностной волны;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной совмещенной приемной антенной системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой сверхширокополосной передающей антенной системы горизонтальной поляризации для загоризонтных РЛС пространственной волны;

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой специфической антенны, устанавливаемой на геофизических ракетах (Авторское свидетельство № 1401534);

– разработана и исследована компьютерная модель для предложенной автором новой передающей антенны, устанавливаемой на специальный спутник Земли (Авторское свидетельство № 1302966).

Практическая  ценность  полученных в работе результатов заключается в следующем:

– с помощью предложенной и разработанной автором методики была спроекти-рована оптимальная сверхширокополосная передающая антенная система для загоризонт-ной РЛС пространственной волны и в настоящее время завершается её строительство;

– ведется проектирование новой сверхширокополосной передающей антенной системы с использованием в ней предложенных автором новых сверхширокополосных малогабаритных излучателей и схемы двухкратного расширения полосы электронной перестройки частоты;

– с помощью предложенной автором новой специальной приемной измерительной антенны для геофизических ракет, были проведены измерения высотного распределения электро-магнитного поля, излучаемого передающим АФУ в загоризонтной РЛС пространственной волны;





– с помощью предложенной автором новой передающей антенной системы для специального спутника Земли, была проведена калибровка приемного АФУ в загоризонтной РЛС пространственной волны и проведено исследование характеристик распространения радиоволн КВ диапазона;

– большое количество публикаций по рассматриваемым в диссертации вопросам позволяет в какой-то мере заполнить существующий в настоящее время пробел в специальной литературе по проектированию АФУ для загоризонтных РЛС.

Внедрение результатов работы:

– предложенная и разработанная автором методология оптимального проектирования передающих и приёмных антенных систем, использовалась в ОАО «НПК «НИИДАР» при создании загоризонтных РЛС пространственной и поверхностной волны, о чём свидетельствуют 3 акта внедрения результатов диссертационной работы в разработках ОАО «НПК «НИИДАР»;

– с помощью предложенной автором новой рамочной измерительной антенны, устанавливаемой на геофизических ракетах, проводились лётные испытания передающих антенных систем загоризонтных РЛС пространственной волны путем измерений высотного распределения электромагнитного поля, а также исследовались характеристики распространения радиоволн в условиях ионосферы;

– предложенная автором новая передающая антенная система, установленная на специальном спутнике Земли, позволила провести калибровку приемной антенной системы загоризонтной РЛС пространственной волны, а также провести исследования по распространению радиоволн в верхних слоях атмосферы.

Достоверность результатов подтверждена экспериментально, а также путем проведения летных испытаний и измерения радиотехнических характеристик на уже построенных объектах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXVIII международной конференции «Теория и техника антенн», г. Москва, 1998 г., на XII, XV и XVI международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж, в 2006 г., 2009 г. и 2010 г., на VIII международном симпозиуме "Электромагнитная совместимость и экология" г. Санкт-Петербург, 2009 г., а также были опубликованы в журналах «Электросвязь» в 1991 г. и «Антенны» (входит в перечень ВАК) в период с 2006 по 2011 г.г. включительно.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Новые принципы построения оптимальных (с точки зрения как технических характеристик, так и материальных затрат) сверхширокополосных и сверхширокоугольных антенных систем.

2. Новая схема сверхширокополосной активной ФАР с двухкратным расширением полосы электронной перестройки частоты (с ~ 40 % до ~ 80 %).

3. Исследование влияния асимметричного противовеса на угломестные ДН несимметричных

излучателей вертикальной поляризации.

4. Исследование новой сверхширокополосной симметричной передающей антенны вертикальной поляризации с уменьшенными в ~2 раза вертикальными габаритами.

5. Методология согласования по шумам входов элементов АФУ для приёмных антенн КВ диапазона.

6. Исследование новых сверхширокополосных приемных антенных систем КВ диапазона с совмещенным размещением излучателей различных поддиапазонов.

7. Исследование специфических измерительных антенн для геофизической ракеты и спутника Земли.

Структура диссертации. Текст работы содержит введение, 3 главы, заключение и список литературы (96 наименований) и приложения, содержащие 3 акта внедрения и расчёт показателей качества для целевой функции. Общий объем работы 300 страниц.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, 3-х глав и заключения. Во введении дается краткий обзор как отечественных, так и зарубежных разработок антенных систем для загоризонтных РЛС. В 3-х главах работы рассматриваются как общие принципы построения сверхширокополосных антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС, так и некоторые особенности построения антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС поверхностной и пространственной волны. В заключении отмечаются основные результаты работы, включая краткие формулировки предлагаемой методологии проектирования и оптимизации антенных систем для загоризонтных РЛС.

Глава 1 Основные принципы построения антенн и антенных систем для загоризонтных РЛС

В разделе 1.1 исследуются схемы построения сверхширокополосных и сверхширокоугольных активных ФАР. Под активными ФАР (АФАР) будем понимать ФАР, в которых каждый из излучателей подключен к своему активному элементу – передатчику или приемнику. К сверхширокополосным антеннам будем относить все антенны, работающие в диапазоне рабочих частот (ДРЧ) с коэффициентом перекрытия tдрч >> 1,41, а к сверхшироко-угольным антеннам будем относить антенны с сектором обзора 2 >> 60°. При этом, антенны с tдрч  1,41 – будем называть широкополосными, а антенны с 2  60° – широкоугольными.

Для обеспечения стабильных радиотехнических характеристик (РТХ) во всем ДРЧ,

в случае сверхширокополосных антенн, весь ДРЧ разбивается на “М” поддиапазонов (литеров). В результате вместо одной антенны будем иметь “М” электродинамически подобных антенн, т.е. антенную систему с коэффициентом перекрытия каждого из литеров, равным tл =  (tдрч)1/М.

Аналогичным образом поступим и со сверхширокоугольными антеннами (2 = 120°) или антенными системами (АС), разделив их на две одинаковые подрешетки. На рис. 1.1 приведен вариант сверхширокополосной и сверхширокоугольной антенны. На рис. 1.2 приведен возможный вариант её реализации в виде оптимизированной антенной системы, состоящей из двух подрешеток с секторами обзора по 60°, развернутых друг относительно друга на угол 120°.

Рисунок 1.1 – Схема обычной однолитерной сверхширокополосной

и сверхширокоугольной АФАР (tдрч=2; 2= 120°)

 2 – Схема оптимальной-1

Рисунок 1.2 – Схема оптимальной сверхширокоугольной и сверхширокополосной

двухлитерной АФАР (tл=1,41; 2= 260°)

Оптимальное (относительное) количество излучателей в линейной ФАР можно определить по формуле: (NИ/N0)= t л·(max); и N0= 51°/Ф°доп. ;

где Ф°доп. – максимально-допустимая ширина ДН, т.е. 2·0,7 Ф°доп;

2·0,7 – ширина ДН (по уровню 0,707);

(max)=(1+|sinmax |) / cosmax, где max – макс. угол сканирования.

Сравнивая схемы на рис. 1.1 и 1.2, получим NИ 1 3·NИ 2.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

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.