Автореферат: Анализ и оптимизация широкополосных устройств и антенн на основе нерегулярных структур комбинированного типа

. (3)

В результате подстановки выражений (2) и (3) в систему (1) были получены матричные рекурсивные выражения (4) и (5) для вычисления напряжений и токов в структурах комбинированного типа.

, (4)

, (5)

где _ комплексные матрицы сопротивлений;

_ комплексные матрицы проводимостей;

k - номер узла сетки.

Таким образом, параметры комбинированной структуры представляются множеством матриц комплексных погонных сопротивлений Z и проводимостей Y, определяемых в узлах сетки, покрывающих отрезки НСЛ и сосредоточенные неоднородности. Учет сосредоточенных неоднородностей осуществляется на основе эквивалентного представления их “элементарным” отрезком линии передачи (см. рис.2). Такое эквивалентное представление сосредоточенных участков КС позволяет добиться однородности структуры конечно-разностных уравнений и упростить процедуру численного анализа таких структур. Для численного решения телеграфных уравнений комбинированных структур с использованием выражений для полных волн напряжений и токов (4), (5) необходимо и достаточно определить значения полных напряжений U0 и токов I0 в сечении x=0, соответствующем номеру узла сетки k=0. Указанные величины могут быть определены экспериментально или в результате моделирования.

Рис. 2 _ Эквивалентная схема сосредоточенной неоднородности в виде “элементарного” отрезка линии передачи

Разработанный алгоритм расчета входных параметров комбинированной структуры, а также напряжений и токов (U0, I0) на входе при заданных граничных условиях, состоит из следующих этапов:

1) структурная (блочная) дискретизация;

2) дискретизация отрезков нерегулярных связанных линий;

3) расчет погонных параметров элементарных отрезков НСЛ;

4) расчет матриц передачи отрезков НСЛ;

5) расчет матриц передачи сосредоточенных включений;

6) расчет полной матрицы передачи комбинированной структуры;

7) вычисление напряжений и токов на входе комбинированной структуры;

8) расчет распределения напряжений и токов.

В работе приводится алгоритм анализа комбинированных структур во временной области, который основывается на разработанных моделях и алгоритмах анализа КС и известном методе прямого и обратного преобразования Фурье.

Рис. 3 - Схема включения отрезка КНЛП

Анализ сходимости конечно разностных алгоритмов на основе рекурсивных соотношений (4), (5) и оценка точности расчета волновых процессов осуществлялись путем сравнения результатов численного анализа с известным из работ Салия И. Н. аналитическим решением для отрезка канонической нерегулярной линии передачи (КНЛП). Отрезок КНЛП включался согласно схеме рис. 3 и описывался следующими параметрами: длина отрезка l=0.3 м; волновое сопротивление на входе линии с(0)=50 Ом; перепад волновых сопротивлений R=4. Коэффициент формы отрезка КНЛП k принимал значения: ?2.5, ?1.4, 0, 2.2, 8. Соответствующие этим коэффициентам зависимости характеристического сопротивления от координаты по длине приведены на рис. 4.

Рис. 4 - Зависимость волнового сопротивления от продольной координаты: 1: k=-2.5; 2: k=-1.4; 3: k=0; 4: k=2.2; 5: k=8

Для пяти коэффициентов формы КНЛП осуществлялся численный расчет частотных зависимостей напряжений и токов в линии. Результаты численного анализа сопоставлялись с результатами, полученными аналитически. Вычислялась относительная погрешность определения модуля напряжения на выходе отрезка нерегулярной линии передачи (НЛП), по формуле:

где _ напряжение на выходе НЛП, полученное в результате численного решения;

_ напряжение на выходе НЛП, полученное в результате аналитического решения.

Результаты анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1 _ Результаты вычислительного эксперимента

Результаты анализа позволяют говорить о хорошей сходимости предложенного конечно-разностного алгоритма. Сравнение погрешностей расчетов по рекурсивным выражениям (4) и (5) показало, что способ замены производной приближенным выражением для “центральной” производной имеет меньшую погрешность вычисления для всех рассматриваемых вариантов формы отрезка НЛП. При этом уже при 100 узлах разбиения отрезка НСЛ достигается погрешность вычисления напряжения на конце НСЛ < 0,5 %.

Приведен пример расчета комбинированной структуры, содержащей отрезки связанных нерегулярных проволочных линий и сосредоточенные неоднородности, образующие приемо-передающую антенну с согласующим снижением и V-образным излучателем над поверхностью Земли.

2. Разработанные модели широкополосных функциональных устройств и элементов антенн на основе структур комбинированного типа

Решаются следующие задачи:

· анализ волновых процессов в вибраторах комбинированных антенн;

· моделирование согласующе-симметрирующих трансформаторов сопротивлений;

· анализ и синтез устройств согласования на основе неминимально-фазовых фильтров;

· анализ цепочек поглощающего типа.

Описана разработанная модель широкополосной комбинированной антенны (КА) [5 _ 9], содержащей: телескопическую мачту (1), согласующе-симметрирующий трансформатор (2), согласующее снижение (3), излучающие вибраторы (4), корректирующие фильтры (5). Внешний вид антенны приведен на рис. 5.

Рис. 5 - Четырехпроводная комбинированная антенна

В основе анализа комбинированных антенн лежит аналогия между излучающими вибраторами и отрезками линий передачи, которая заключается в том, что распределение токов в вибраторах антенны повторяет распределение токов в линии передачи с такими же эквивалентными параметрами. На основе квази-Т приближения разработана эквивалентная схема комбинированной антенны. С помощью разработанных алгоритмов анализа проведен расчет зависимости входного КСВ антенны от частоты и распределения токов в вибраторах комбинированной антенны.

Разработана эквивалентная схема и модель согласующе-симметрирующего трансформатора (ССТ) [10, 11]. На эквивалентной схеме (см. рис. 6) через A1,…, A8 обозначены матрицы передачи каскадно-включенных шестнадцатиполюсников описывающих подводящий фидер, отрезок связанных линий передачи и межсоединения.

Рис. 6 _ Обобщенная схема согласующе-симметрирующего трансформатора

Моделирование ССТ произведено таким образом, что в результате реализован подход к анализу комбинированных антенн как некой целостной системы с несимметричным входом, который соединяется с выходом приемо-передатчика без дополнительных устройств настройки антенны по входу.

Разработаны модели согласующих устройств на одиночной секции и цепочке каскадно-включенных секций неминимально-фазовых фильтров [12] на основе обобщенной модели секции на отрезках связанных линий, предложенной А.Н. Сычевым. В качестве базовых секций использовались секции на связанных линиях передачи типа C, N и Р (см. рис 7.).

Рис. 7 - Секции неминимально-фазовых фильтров

Дополнение модели комбинированной антенны моделью согласующего устройства позволило комплексно подойти к задаче согласования антенны. Проведенный численный эксперимент позволил подтвердить, высказанную Э.В. Семеновым возможность достижения локального согласования комбинированной антенны без ухудшения характеристик согласования в остальной полосе рабочих частот, с использованием неминимально-фазовых фильтров.

При проектировании радиометрических систем [16, 17] большое значение уделяется согласованию узлов системы между собой и устранению паразитных переотражений выделенного полезного сигнала. При этом система должна обеспечивать заданные селективные свойства. В работе решается задача анализа полосно-пропускающих фильтров поглощающего типа (ФПТ) [13] _ частотно-селективных устройств, обеспечивающих согласование по входу во всей полосе рабочих частот. Для оценки предельно достижимых характеристик ФПТ, анализа влияния параметров элементов ФПТ на частотные характеристики, а также понимания принципов работы цепей поглощающего типа была разработана модель базового звена идеального фильтра поглощающего типа. Схема базового звена фильтра приведена на рис. 8.

Рис. 8 - Схема базового звена ФПТ

Фильтр состоит из отрезка связанных линий передачи и пары двухполюсников, включенных в его диагональные плечи. Входом / выходом фильтра является свободная пара плеч отрезка СЛ. Отрезок связанных линий передачи описывается следующими параметрами: коэффициентом электромагнитной связи k, волновым сопротивлением Z0, эффективными диэлектрическими проницаемостями четного еэфф. e и нечетного режимов возбуждения еэфф. о, а также длиной l. В диагональные плечи отрезка включаются частотнозависисимые нагрузки Zн(f). В качестве частотнозависимых нагрузок выступали идеальные полосно-пропускающие и полосно-заграждающие фильтры-прототипы с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой, нагруженные на согласованное активное сопротивление. В ходе численного эксперимента варьировались следующие параметры ФПТ: коэффициент электромагнитной связи отрезков СЛ, топология проводников СЛ, относительная полоса заграждения режекторных фильтров, подключенных к балластным нагрузкам, коэффициент неуравновешенности фазовой скорости. Анализировалось каскадное включение ФПТ и “классических” полосно-пропускающих фильтров.

На основании результатов анализа даны рекомендации к проектированию фильтров поглощающего типа и цепочек на их основе с оптимальными частотными свойствами.

Рис. 9 - Макет ССТ

3. Результаты экспериментальных исследований антенн и функциональных устройств на основе комбинированных структур

Особое место, при этом, занимает использование оригинального измерительного комплекса и программного обеспечения для диагностики параметров комбинированных структур.

На основании модели согласующе-симметрирующего трансформатора, описанного в третьей главе, был разработан макет устройства (см. рис. 9). Проведено экспериментальное исследование [10] и измерение входных и проходных частотных характеристик (см. рис. 10).

Результаты экспериментальных исследований ССТ подтвердили применимость разработанной модели устройства для анализа характеристик и проектирования широкополосных согласующе-симметрирующих трансформаторов сопротивлений на связанных линиях передачи. Проведено уточнение модели ССТ путем сравнения экспериментальных результатов и данных численного эксперимента. Несимметрия напряжений на выходах ССТ по фазе не превышала 3 град при потерях в устройстве не более 0.5 дБ.

Рис. 10 - Частотные характеристики ССТ: а) частотная зависимость КСВ входа; б) фазочастотные характеристики

Приводятся результаты натурных испытаний комбинированных антенн диапазона ДКМВ [8, 9], производится сопоставление результатов измерений с результатами моделирования. Предлагается методика настройки и оптимизации параметров антенн комбинированного типа. Объектом исследований являются двухпроводная и четырехпроводная комбинированные антенны, а также их модификации.

Измеренные и расчетные частотные характеристики антенны приведены на рис. 11. Результаты моделирования показали хорошее совпадение c результатами анализа во всем диапазоне рабочих частот (1.5 - 30 МГц). Анализ измеренных и расчетных характеристик позволил установить, что среднее отклонение не превышает 10%. Разработанные алгоритмы и программы численного анализа нерегулярных связанных линий, позволили рассчитать распределение токов в согласующем снижении и вибраторах антенны.

Рис. 11 - Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик КА

Рассчитанные значения токов в вибраторах комбинированной антенны (рис. 12) иллюстрируют процесс образования стоячих волн в антенне и позволяют подойти к задаче анализа поля излучения комбинированной антенной системы.

Распределение токов в вибраторах не удается исследовать путем прямых экспериментальных измерений, так как наличие датчиков в ближнем поле вибраторов приводит к сильному изменению распределения токов. Сравнение экспериментальных и расчетных данных, показанное на рис. 11, дает косвенное подтверждение адекватности модели комбинированных антенн. На взгляд автора, измерение параметров КА рассматриваемого типа в импульсном режиме позволит получить дополнительную информацию о параметрах вибраторов и сосредоточенных корректирующих включений.