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:     | 1 ||

Разработка и оптимизация микрополосковых антенных решеток для систем мобильной связи в ливане

-- [ Страница 2 ] --

Общую задачу построения антенн по заданным требованиям, т. е. задачу синтеза антенн, в теоретическом плане принято разделять на внешнюю задачу и внутреннюю задачу. Решение внешней задачи для антенн с обработкой сигнала практически сводится к построению антенной решетки, обеспечивающей заданную направленность в секторе обзора (сканирования). Решение внутренней задачи должно обеспечивать необходимое возбуждение антенны, найденное из решения внешней задачи, и требуемую обработку сигнала. В общем случае синтез антенных решеток заключается в изменении относительных положений элементов и амплитуд и фаз токов возбуждения источников, входящих в состав решетки, для того, чтобы обеспечить наилучшее приближение к требуемой характеристике излучения (как правило, диаграмме направленности). Параметры диаграммы направленности (ДН) задаются с помощью шаблона (рис. 6), в котором задаются уровень боковых лепестков и/или амплитуды колебаний в области главного лепестка (в секторе обзора).

Математически, задача состоит в решении системы нелинейных уравнений:

(1) х - вектор параметров решетки.

Fрасч. – ДН решетки, рассчитываемая в направлении .

Fтреб. – требуемая ДН в том же направлении.

Угловые направления (j) задаются в M дискретных значениях в области, соответствующей периоду функции Fрасч (для периодических решеток).

Большинство задач оптимизации можно свести к минимизации скалярной величины, называемой "функцией ошибки". Эта функция представляет собой разницу (отклонение) между реальными (моделируемыми) и требуемыми (заданными) характеристиками. Функция ошибки выражается следующим образом:

(2) 

Вектор включает в себя все параметры, доступные пользователю для изменения в процессе оптимизации. Если рассматривать функцию ERR в некотором направлении R (j), то эта функция определяется следующим образом:

(3)

где Eрасч.- рассчитанное поле; Eтреб.- требуемое поле в направлении j.

w(j) - это весовая функция, которая позволяет устанавливать приоритеты для некоторых направлений пространства по отношению к другим, придавая им большую значимость в функции ошибки. Эта возможность будет использоваться для одновременного контроля уровня боковых лепестков ДН и уровня колебаний амплитуды ДН в нужной зоне покрытия.

Минимаксная норма определяется таким образом:

(4)

Здесь M представляет собой число выбранных угловых направлений.

Минимаксная норма определяет максимальную ошибку по всем выбранным направлениям, что позволяет, в частности, получить ДН с постоянными уровнями колебаний в области главного лепестка и сформировать боковые лепестки одинакового уровня. Эта норма будет использоваться для определения функции ошибки. В случае синтеза антенных решеток, в параметры синтеза могут быть включены токи возбуждения элементов (амплитуда и/или фаза) и, в некоторых случаях, относительные положения элементов. Оптимизация ДН, как правило, проводится при наличии некоторого числа ограничений на параметры решетки или какие-либо ее показатели качества (кпд, отношение сигнал/шум).



Минимаксный критерий формирования функции ошибки использовался в двух методах синтеза. Первый метод, получивший название вещественного синтеза, позволяет оперировать с токами, имеющими симметричное амплитудное распределение и комплексно сопряженное фазовое распределение. Второй метод, названный комплексным синтезом, позволяет синтезировать произвольные распределения амплитуд и фаз возбуждений элементов. Кроме того один из методов синтеза используется для компенсации эффекта взаимного влияния между элементами АР, который на практике считается источником искажений ДН решетки.

Метод синтеза основан на итерационном решении системы нелинейных уравнений с использованием минимаксного критерия оптимизации. Программное обеспечение (ПО) SARA (Synthesis of ARray of Antennas), разработанное в Ливанском университете, позволяет проводить синтез и анализ антенных решеток с использованием аналитических методов. Используемое ПО SARA позволяет синтезировать антенные решетки с учетом эффекта взаимного влияния. Для устранения искажений, вызванных взаимным влиянием элементов, используется компенсация этого эффекта путем коррекции фазового распределения на элементах АР. Диаграммы направленности определяются весовой функцией, которая контролирует уровень боковых лепестков и максимальную амплитуду колебаний главного лепестка в различных зонах, образующих плоскость формирования или шаблон ДН (рис. 7).

Метод нелинейной оптимизации позволяет находить приближенное решение системы нелинейных уравнений

(5)

в минимаксном приближении, поскольку нужно найти параметры вектора x, минимизирующие максимум функции ошибки (4). При минимизации используется приближение нелинейной функции, для которой можно рассчитать один субградиент в каждой точке с использованием тангенциальной линеаризации, а затем неоднократно (итеративно) применять это приближение. Таким образом, необходимо решить систему линейных уравнений, к которой можно прибавить ограничения по мере выполнения итераций для обеспечения сходимости метода. На итерации K+1, вектор выражается таким образом:

(6)

Процедура оптимизации использует систему линеаризованных уравнений, в которой h(K) является решением, уменьшающим максимум линеаризованной функции ошибки. Таким образом,

(7)

где h(K) должно удовлетворять некоторым ограничениям для того, чтобы обеспечить корректность линейного приближение, использованного для построения системы уравнений:

(8)

Поиск минимального значения системы линейных уравнений представляет собой классическую проблему оптимизации

(9)

при ограничениях: (10)

где: . (11)

Сходимость метода обеспечивается регулированием величины (K) ( - критическое значение линеаризации) на каждом итеративном шаге. Таким образом, точка x(K+1) является точкой спуска, если уменьшение максимального значения линеаризованной функции превышает долю уменьшения максимальной линеаризованной функции :

(12)

где, 1 = (0, 1) – Коэффициент выравнивания сходимости = (0, 1).

В противном случае, аппроксимация оказывается недостаточной и уменьшается по формуле:

, (13)

где, 2 = (0,5) – Коэффициент выравнивания.

Итерации прекращаются после достижения одного из следующих критериев:

  1. Максимальное значение функции ошибки меньше определенной величины.
  2. Максимальное значение становится малым по сравнению с .

В приведенных примерах синтезируются ДН линейной АР, состоящей из 8 разнесенных на 0.5 0 и ДН цилиндрической АР, состоящей из 16 элементов.

    1. Синтезированная ДН линейной решетки - двухлепестковая, с лучами в заданных угловых направлениях (рис. 8). Синтезированные фазы возбуждения приводятся в таблице 1

    1. Синтезированная ДН цилиндрической решетки также двухлепестковая (рис. 9). Синтезированные комплексные возбуждения элементов приводятся в таблице 2.

Глава 3 диссертации посвящена практическим разработкам микрополосковых решеток и результатам их оптимизации.

  • 4-х элементная линейная антенная решетка

Эта микрополосковая узкополосная СВЧ антенна была предназначена для выбора формы излучателя, позволяющего обеспечить работу антенны во всей полосе GSM диапазона (890-960 ГГц). Экспериментальные исследования эффекта взаимного влияния на излучение были проведены на 4-х квадратной элементной линейной антенной решетке. На рис.10 показана расчетная и экспериментальная ДН АР с максимумом под углом -10о.

Резонансная частота антенны равна 925 ГГц. Расстояние между элементами равно 0.45 о.

  • 8-ми элементная линейная антенная решетка.

Ряд результатов моделирования линейных антенных решеток, иллюстрирующих возможности минимаксного метода оптимизации, приведен в главе 2 без учета эффекта взаимного влияния между элементами. Результаты, полученные с учетом эффекта взаимного влияния, приведены на рис.11 и рис.12.

 Двухлепестоковая ДН Главный-33 Двухлепестоковая ДН Главный-34

Рис.11. Двухлепестоковая ДН Рис.12. Главный лепесток с нулем

Видно, что использованная методика синтеза позволяет синтезировать распределение фаз возбуждений, обеспечивающее формирование главного лепестка в заданном направлении и нулей в направлениях интерферирующих источников сигналов с учетом эффекта взаимного влияния.

  • 8-ми элементная цилиндрическая антенная решетка.

Оптимизация характеристик данной АР выполняется с использованием минимаксного критерия.

Характеристики требуемой ДН, например максимальный и минимальный уровня боковых лепестков и глубина нуля задаются путем введения набора весовых коэффициентов в функции ошибки.

В конформной решетке ДН каждого элемента значительно влияет на ДН антенной решетки в целом.

Синтезированная ДН АР, демонстрирующая возможности метода, приведена на рис.13.

В таблице 3 приведены фазы возбуждения для случая управления однолепестковой ДН.

  • Плоская антенная решетка

Были изготовлены и испытаны (в X диапазоне), две антенны с остронаправленной и секторной (широкой) ДН. Характеристики излучения определялись соответствующими шаблонами, задававшимися в плоскостях Е и Н этих антенн (для линейной поляризации).

Первая антенна представляет собой направленную антенну с остронаправленным главным лепестком ДН в двух главных плоскостях.

Вторая антенна представляет собой антенну с секторным главным лепестком ДН в одной (основной) плоскости и с направленным лепестком в ортогональной плоскости.

Были измерены ДН на основной поляризации и на кросс поляризации в плоскостях Е и Н (рис.14, и рис.15). Уровень кросс-поляризация в целом оказывается ниже -20 дБ.

 ДН направленной решетки в-36

Рис.14. ДН направленной решетки в плоскостях E и H

 ДН секторной решетки в плоскостях E-37

Рис.15. ДН секторной решетки в плоскостях E и H

Заключение: Диссертация посвящена разработке микрополосковых антенных решеток со сложными и управляемыми характеристиками направленности для применения в системах мобильной связи Ливана, а также развитию и усовершенствованию методики проектирования и оптимизации параметров таких антенных систем на основе применения электродинамического анализа и синтеза в сочетании с экспериментами. В литературе описаны многочисленные методы синтеза антенных решеток. Большая часть этих методов использует упрощающие гипотезы и не позволяет принять в расчет ряд ограничений, определяемых структурой системы связи, а также ограничений на ДН антенны, что ограничивает их применимость. Описанный в диссертации подход к синтезу АР оказывается эффективным, гибким и достаточно общим для формулировки задачи синтеза АР с любыми видами ограничений на характеристики АР, включая теоретические проблемы, связанные с излучением решетки, и практические ограничения, обусловленные конструктивными особенностями АР и ее схемы питания.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ





1. Оллейк Ш., Раммал Х., Раммал М. Общий метод синтеза цилиндрических антенных решеток применительно к направленной и конформной диаграммам направленности специальной формы // Антенны, 2009, № 10, с. 26-30.

2. Оллейк Ш., Раммал М. Фазовый синтез цилиндрической дуговой антенной решетки // Антенны, 2010, № 1, с. 22-26.

3. Оллейк Ш., Фадлаллах Н., Раммал М. Исследование эффекта взаимной связи во многолучевых антенных решетках // – Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В.А. Котельникова. Тезисы докладов. – М: МЭИ, 2008, с. 59. (на английском языке).

4. Оллейк Ш., Раммал М., Фадлаллах Н. Проектирование и реализации печатных антенных для радиолиний в X диапазоне // – Труды 19-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Украина, г. Севастополь, 14 – 18 сентября, 2009 г., доклад № 84. (на английском языке).



Pages:     | 1 ||
 

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.