Рис. 12 _ Распределение токов в двухпроводной комбинированной антенне
Для уменьшения входного сопротивления вибраторов комбинированной антенны и улучшения согласования антенны во всей полосе частот было предложено использовать вместо одиночных вибраторов пару сдвоенных вибраторов, соединенных в точке подключения к согласующему снижению. Такая геометрия вибраторов антенны, наряду с выбором параметров корректирующих фильтров, позволила получить частотное разделение внутренней и внешней пар вибраторов антенны. На предложенную конструкцию комбинированной антенны получен патент на полезную модель [2].
Для настройки и диагностики комбинированных антенн, улучшения частотных свойств и уменьшения степени рассогласования по входу было предложено анализировать параметры антенн в импульсном режиме. Для анализа частотных и временных характеристик комбинированных антенн при импульсном воздействии был разработан программно-аппаратный комплекс [18 _ 20] и прибор “Векторный импульсный измеритель характеристик цепей Р4-И-01”.
Измеренные в импульсном режиме частотные характеристики антенны имеют хорошее согласование с характеристиками, измеренными классическим частотным анализатором. При этом измерение в импульсном режиме во временной области позволяет оценить не только интегральную частотную характеристику антенны по входу, но и получить пространственную картину отражений от каждого из элементов антенны. На основе анализа измеренных и рассчитанных временных и частотных характеристик комбинированных антенн была произведена оптимизация комбинированной антенны, целью которой была минимизация максимального КСВ антенны в диапазоне частот 1.5 - 30 МГц. В результате оптимизации была предложена антенна с модифицированной конфигурацией вибраторов, изображенная на рис. 13. На антенную систему получен патент на изобретение [1].
Рис. 13 _ Предложенная комбинированная антенная система
Предложенная конфигурация вибраторов антенны и проводников согласующего снижения позволила уменьшить уровень паразитных отражений и, как результат, улучшить КСВ антенны в широком диапазоне частот. Сопоставление входных временных и частотных характеристик антенны-прототипа (с линейным профилем вибраторов) и предложенной комбинированной антенны приведено на рисунке 14.
Рис. 14 - Сопоставление входных частотных и временных характеристик предложенной комбинированной антенны и антенны-прототипа: a) рефлектограммы антенн; б) частотные зависимости КСВ
Было показано, что применение метода импульсной рефлектометрии [20] (с последующим вычислением частотных характеристик) для диагностики нерегулярных комбинированных структур имеет преимущества перед классическим анализом в частотной области, так как позволяет выявить причины появления локальных отражений. Использование импульсного метода измерения наряду с применением математического моделирования позволило установить причину рассогласования при оптимизации параметров комбинированной антенны и предложить техническое решение, обеспечивающее уменьшение коэффициента отражения по входу в широкой полосе частот.
Также в работе, получены результаты экспериментальных исследований, целью которых был анализ эффективности применения фазовых фильтров (ФФ) в качестве цепей узкополосного (локального) и широкополосного согласования комбинированных антенн. На основе разработанных математических моделей и программ синтеза был реализован макет согласующего устройства, имеющий симметричный вход и симметричный выход и состоящего из двух идентичных модифицированных N-секций. Параметры фильтра были получены в результате оптимизационного синтеза [14] в разработанной программе MatchWizard [15].
На рис. 15 приведены результаты измерений КСВ четырехпроводной комбинированной антенны с включенным на входе согласующим устройством и без него. Результаты эксперимента показали, что КСВ антенны в диапазоне частот 1.7…25 МГц с применением фильтра уменьшился с 4.1 до 2.8.
Рис. 15 - Сравнение экспериментальных зависимостей КСВ
Результаты анализа хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований, что подтверждает адекватность разработанных моделей. Измеренные характеристики антенны подтверждают предположение о возможности достижения локального согласования широкополосной комбинированной структуры при помощи неминимально-фазовых фильтров.
Приводятся результаты проектирования и испытаний фильтра поглощающего типа, а также цепочек состоящих ФПТ и классических фильтров. Проектирование ФПТ осуществлялось на основании рекомендаций, изложенных в третьей главе. Макет фильтра и его измеренные частотные характеристики приведены на рис. 16.
Рис. 16 - Результаты экспериментальных исследований фильтра поглощающего типа: а) макет ФПТ; б) измеренные частотные характеристики
Как видно из рис. 16, ФПТ обладает достаточно хорошими избирательными свойствами. При этом обратные потери от входа фильтра во всей полосе рабочих частот не превышают ?13 дБ, что соответствует КСВ?1.58. Приводятся результаты макетирования и измерения характеристик цепочечной схемы (см. рис. 17), состоящей из фильтра поглощающего типа и классического полосно-пропускающего фильтра.
Рис. 17 - Частотные характеристики макета цепочки ФПТ + ППФ
По измеренным характеристикам можно судить, что цепочка, состоящая из фильтра поглощающего типа и классического полосно-пропускающего типа, обладает хорошими избирательными свойствами. При этом малое значение коэффициента отражения от входа, не более ?10 дБ во всей полосе рабочих частот позволяет использовать разработанный фильтр в тех системах, в которых согласование по входу имеет большое значение [16, 17].
Проведенные экспериментальные исследования подтверждают эффективность разработанных алгоритмов и программ расчета первичных параметров сложных полосковых структур по заданным конструктивным требованиям. Разработанные и изложенные в третей главе рекомендации к проектированию цепей поглощающего типа с селективными свойствами нашли подтверждение в процессе макетирования, изготовления и измерения частотных характеристик макетов.
Описывается разработанное на основе моделей и алгоритмов анализа структур комбинированного типа программное обеспечение (ПО).
Программное обеспечение включает в себя средства проектирования устройств и систем на основе связанных линий передачи:
· программу анализа входных параметров проволочных антенн комбинированного типа [6];
· систему автоматизированного проектирования согласующих устройств на основе неминимально-фазовых фильтров [12, 14, 15];
· программу моделирования управляющей секции на отрезке связанных линий передачи [23];
· программы оптимизации и синтеза поперечной структуры полосковых линий передачи сложной формы [22, 24, 26].
Также описывается программное обеспечение векторного импульсного измерителя характеристик цепей “ИмпульсМ 2.0”, предназначенное для анализа и диагностики структур комбинированного типа в импульсном режиме с последующим вычислением их частотных характеристик [20, 25]. Программное обеспечение позволило автоматизировать процесс диагностики функциональных узлов и систем и применить расчетно-экспериментальный метод проектирования комбинированных устройств.
Заключение
В работе получены следующие научные и практические результаты:
1. Предложен алгоритм конечно-разностного анализа комбинированных структур, содержащих отрезки нерегулярных связанных линий передачи и сосредоточенные или квазисосредоточенные корректирующие включения.
2. Показано, что предложенный метод расчета комбинированных структур позволяет детально исследовать картину волновых процессов в комбинированных структурах без ограничений на закон изменения первичных параметров связанных линий, характер и количество включенных сосредоточенных неоднородностей.
3. Сравнение результатов численного анализа с результатами аналитического решения для одиночных плавно-нерегулярных линий передачи показало, что способ замены производной приближенным конечно-разностным выражением для “центральной” производной позволяет уменьшить погрешность вычисления распределений напряжений и токов в структурах рассматриваемого класса.
4. Разработаны модели функциональных узлов широкополосных антенных систем комбинированного типа: нерегулярные вибраторы с сосредоточенными корректирующими вставками; согласующе-симметрирующий трансформатор импедансов на связанных линиях передачи, цепочек согласования комбинированных антенн на основе неминимально-фазовых фильтров.
5. Разработана модель комбинированной антенной системы в целом. Реализованы алгоритмы анализа волновых процессов в нерегулярных вибраторах комбинированных антенн.
6. Разработана модель базового звена фильтра поглощающего типа. Произведено исследование влияние входных параметров модели на характеристики фильтров поглощающего типа и цепочек на их основе. На основе проведенных исследований даны рекомендации по проектированию цепочек поглощающего типа.
7. Сравнение результатов численных и экспериментальных исследований позволяет утверждать, что предложенные модели и алгоритмы анализа достаточно достоверно отражают физические процессы в комбинированных структурах, в частном случае в комбинированных антенных системах. Разработанное программное обеспечение позволяет производить расчет и оптимизацию входных параметров и распределения токов в вибраторах комбинированных антенн согласно техническому заданию на разработку.
8. Показано, что применение метода импульсной рефлектометрии (с последующим вычислением частотных характеристик) для диагностики нерегулярных комбинированных структур имеет преимущества перед классическим анализом в частотной области, так как позволяет выявить причины появления локальных отражений. Использование данного метода измерений наряду с применением математического моделирования позволило установить причину рассогласования при оптимизации параметров комбинированной антенны и предложить техническое решение, обеспечивающее уменьшение коэффициента отражения по входу в широкой полосе частот. Предложенное техническое решение защищено патентами РФ [1, 2].
Литература
1. Высокочастотная приемопередающая антенная система. Патент на изобретение РФ № 2315401. Лощилов А.Г., Семенов А.В., Малютин Н.Д. Приоритет от 28.04.06.
2. Широкополосная антенная система для работы в декаметровом диапазоне. Патент на полезную модель № 66613. Малютин Н.Д., Газизов Т.Т., Мелкозеров А.О., Газизов Т.Р., Лощилов А.Г., Семенов Э.В., Рыбин А.П. Приоритет от 16.04.07.
3. Малютин Н.Д., Лощилов А.Г., Семенов Э.В. Квази-Т волны в комбинированных структурах на основе нерегулярных линий передачи с сосредоточенными неоднородностями // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники 4 (12) 2005. изд. ТУСУР, 2005, с. 42 - 49.
4. Малютин Н.Д., Лощилов А.Г., Семенов Э.В. Квази-Т волны в комбинированных структурах на нерегулярных связанных линиях.// Материалы Международной научно-практической конференции “Электронные средства и системы управления”, Томск, изд. Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. Ч.1. с. 125 - 129
5. Лощилов А.Г., Малютин Н.Д. Алгоритм решения внутренней задачи расчета параметров комбинированных антенн ДКМВ-диапазона. // Материалы международной научно практической конференции “Электронные средства и системы управления”. Томск, 6 - 8 октября, 2004, Ч.1 с. 99 - 101.
6. Лощилов А.Г. Программа расчета входных параметров комбинированных антенн // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции “Научная сессия ТУСУР?2004”, Томск, ТУСУР, 2004. с. 126 - 127.
7. Лощилов А.Г. Оптимизация геометрии широкополосной комбинированной антенны // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов “Научная сессия ТУСУР?2005”, Томск, изд. ТУСУРа, 2005. с. 193 _ 195.
8. Рыбин А.П., Лощилов А.Г., Малютин Н.Д. Моделирование и экспериментальное исследование широкополосных антенн в ДКМВ-диапазоне // Мат-лы Всерос. науч.-технич. конф. «Научная сессия ТУСУР-2004». Томск, 18-20 мая 2004. Т. 1. С.122125.
9. Малютин Н.Д., Серебренников Л.Я., Перевалов Н.Я., Федоров А.Е., Гошин Г.Г., Рыбин А.П., Лощилов А.Г., Газизов Т.Р., Газизов Т.Т., Мелкозеров А.О., Семенов Э.В., Семенов А.В. Широкодиапазонные приемопередающие комбинированные антенны. Принципы построения. Решение внутренней задачи // Материалы международной научно-практической конференции “Электронные средства и системы управления.”. Томск, 6 _ 8 октября, 2004, Ч.1. С. 107 - 111.
10. Малютин Н. Д., Рыбин А. П., Лощилов А.Г.. Моделирование, расчет и экспериментальное исследование согласующих симметрирующих трансформаторов на отрезках связанных линий передачи, нагруженных на входные сопротивления комбинированных антенн // Известия Высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. Изд. СПбГТУ “ЛЭТИ”. №1 2007. с. 37 - 45.