Синтез антенных решеток в условиях многолучевого распространения радиоволн

В третьей главе рассматривается матричный метод синтеза многолепестковых ДН, основанный на максимизации функционала, имеющего смысл «распределённого» (между соответствующими направлениями) коэффициента направленного действия (нормированного квадрата модуля взвешенной суммы значений ДН в S направлениях). Применительно к элементной кольцевой АР задача формулируется следующим образом: , (2) где - взвешенная сумма значений ДН в S направлениях (s=1, 2…S) . , (3) где ws-вес S-го луча ДН. Функционал (2) представляется в виде отношения эрмитовых форм. Алгоритм определения вектора-столбца КВК в элементах АР основан на экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм и имеет вид: , (4) где - квадратная эрмитова матрица N-го порядка с элементами , (5) - -мерная вектор-строка с элементами , (6) - ненормированная парциальная диаграмма решетки, й излучатель которой () возбужден током единичной амплитуды, * - знак эрмитова сопряжения матрицы и комплексного сопряжения скалярной величины. В основу данного метода положен патент [2] на способ формирования многолепестковых ДН. Рассмотрена модификация предложенного метода, связанная с наложением ограничений (сравнением уровней лепестков и обращением в нуль производных ДН в максимумах лепестков), введением трансформирующей матрицы и понижением (на число ограничений) порядка эрмитовых форм, которая обеспечивает высокую точность реализации уровней и положений лучей синтезированной ДН. Кроме того, проведено численное моделирование применения метода для формирования многолепестковых ДН и ДН сложной формы. Показана возможность регулировки формы главного луча, уровня боковых лепестков и формирования квазиизотропной ДН, а так же возможность независимого управления фазовыми ДН отдельных лучей. Моделирование проведено на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток. При этом выполнен анализ диапазонных свойств синтезированных многолепестковых ДН и анализ распределения токов в каналах излучателей. В качестве примера на левом поле рис. 2 приведены трехлепестковые ДН кольцевой АР без ограничений и ДН с наложенными ограничениями . На правом поле рис. 2 изображены значения фазовой ДН кольцевой АР в направлениях максимумов лучей. Показано, что изменение фазы в пределах фазы одного из лучей (второго) практически не влияет на значения фазовых диаграмм двух отдельных лучей. Рис. 2 - Синтез основе матричного метода трехлепестковой ДН кольцевой АР с регулировкой фаз лепестков. Результаты выполненных в главе 3 исследований опубликованы в работах [2], [4-12], [14]. Четвертая глава диссертации посвящена разработке аналитического метода фазового синтеза ДН с одним либо с двумя лепестками, ориентируемых в пространстве независимо. Решение задачи синтеза может быть применено в обычных ФАР, где нет возможности управлять амплитудой тока. Предложенный метод фазового синтеза основан на новом запатентованном способе фазирования [3]. Его суть состоит в том, что фазовый сдвиг в каждом элементе АР устанавливается путём суперпозиции двух дискретных фазовых сдвигов: один из них с дискретом π, обеспечивающим формирование двух лепестков и разведение их на требуемый угол, а второй с более мелким дискретом, обеспечивающим совместный поворот лучей. В случае линейной антенной решетки выражение, определяющее алгоритм фазового синтеза имеет вид: , (7) где , - вносимые фазовые сдвиги. Продемонстрирована возможность регулирования разности фаз главных лепестков ДН путем изменения общего уровня каждого из двух фазовых распределений, а также варьирования значениями констант округления. Проведено численное моделирование применения метода для формирования двухлепестковой ДН. Моделирование проведено на примере антенных линейных и плоских решеток. Исследованы диапазонные свойства синтезированных диаграмм направленности. В качестве примера в левом поле рис.3 приведена двухлепестковая ДН линейной АР в логарифмическом масштабе. Сечения ДН плоской АР поверхностями для первого луча и для второго представлены на правом поле рис. 3. Рис. 3 – Фазовый синтез двухлепестковых ДН линейной и плоской АР. Результаты исследований, проведенных в главе 4, опубликованы в работах [3], [13-14]. В пятой главе рассмотрены вопросы практической реализации предложенных методов. На примере вибраторных излучателей показано, что для обеспечения высокой точности синтеза этап формального синтеза должен быть дополнен этапом реализации, учитывающим электродинамические эффекты в излучающей системе. Проведена оценка влияния взаимной связи излучателей на формирование многолепестковых диаграмм направленности с помощью предложенных методов. С этой целью по синтезированным векторам токов найдены векторы напряжений на входах вибраторов. Для этого методом наведенных ЭДС рассчитывались матрицы сопротивлений линейной, кольцевой и плоской АР, после чего применялось выражение . (8) Очевидно, что при приложении ко входам вибраторов напряжений в вибраторах протекают токи и реализуется синтезированная диаграмма. Если же на этапе реализации не учитывать взаимодействие вибраторов, то есть вместо матрицы использовать матрицу , диагональные элементы которой те же, что и в матрице , а остальные элементы нулевые, то ко входам вибраторов будут приложены напряжения : . (9) В результате в вибраторах реализуются токи , (10) отличающиеся от синтезированных, что приводит к отличию реализованной и синтезированной с учетом взаимной связи диаграмм. Наиболее значительный неучет взаимной связи при синтезе многолепестковых ДН проявляется в кольцевых АР. Оценка устойчивости матричного метода синтеза проводилась путем двойного обращения матриц, внесения случайных отклонений в элементы матрицы и исходные данные, а также нахождением чисел обусловленности матриц. Оценка устойчивости решения к погрешностям реализации амплитудно-фазового распределения проведена путем дискретизации амплитуд и фаз. Исследовано распределение токов при неучете взаимной связи излучателей, а также изменение КНД при дискретизации амплитуд и фаз. Проведен анализ вычислительных затрат, необходимых для реализации разработанных алгоритмов. В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в настоящей работе, намечены перспективы дальнейших исследований. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Разработан метод (запатентованный способ и соответствующий алгоритм определения КВК в излучателях) оперативного формирования многолепестковых ДН линейных, кольцевых и плоских многофункциональных антенных решёток, основанный на матричном методе синтеза, обеспечивающий формирование диаграмм направленности с заданными свойствами. Предложена модификация упомянутого выше способа, связанная с наложением ограничений которые обеспечивает высокую точность уровней и положений лучей синтезированной ДН. 2. Разработан аналитический метод (запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения фаз токов в излучателях) формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности линейных и плоских антенных решёток с дискретными фазовращателями бинарного типа. 3. Сформулирован в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными весовыми коэффициентами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры. Показано, что алгоритм синтеза на основе парциальных диаграмм обеспечивает оперативное управление КВК плоской многофункциональной антенной решеткой, так как содержит в явном виде выражение для определения комплексных амплитуд токов в её элементах по заданной (в том числе и многолепестковой) комплексной диаграмме направленности. 4. Разработаны новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн. В случае аналитического метода фазового синтеза регулировка разности фаз главных лепестков ДН происходит путем изменения общего уровня каждого из двух фазовых распределений, а так же варьирования значениями констант округления. 5. Результаты моделирования разработанных методов применительно к линейным, кольцевым и плоским антенным решеткам подтверждают возможность формирования ДН с заданным числом лучей, с заданными значениями фаз в направлениях их максимумов, с заданной шириной каждого луча (вплоть до формирования квазиизотропных диаграмм направленности), а также с требуемым уровнем боковых лепестков в определённых секторах. Разработанные методы также позволяют формировать ДН сложной формы (столообразную, косекансную). 6. Представлены впервые полученные оценки характеристик разработанных способов и алгоритмов (результаты исследований направленных и диапазонных свойств, частотных характеристик поля, излучаемого антенной системой, на примере линейной, кольцевой и плоской антенных решеток. Выполнен анализ распределения синтезированных токов в каналах излучателей АР при формировании многолепестковых ДН, а также ДН сложной формы. 7. Выполнен анализ энергетических характеристик разработанных алгоритмов, оценка их устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, анализ влияния взаимодействия излучателей на точность и эффективность разработанных алгоритмов, а также анализ вычислительных затрат, необходимых для реализации разработанных алгоритмов. Личный вклад соискателя. Принимал личное участие в постановке и решении приведенных задач синтеза и анализа. Разрабатывал алгоритмы и программы расчетов характеристик излучения и рассеяния объектов, проводил численные эксперименты. Таким образом, на основании выполненных в диссертационной работе научных и прикладных исследований, можно констатировать, что автором решена задача разработки методов параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва, обеспечивающих формирование в реальном масштабе времени многолепестковых диаграмм направленности с произвольными фазами лепестков, имеющая существенное значение для направления радиофизики, связанного с эффективным приемом сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Мануилов Б.Д.,Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Алгоритм управления многофункциональными антенными решётками на основе метода парциальных диаграмм.- // «Антенны» №9 (100) 2005 г., стр. 72-77. 2. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решётки / Патент № 2249890 РФ. Бюллетень изобретений, 2005 г., №10 3. Мануилов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности фазированной антенной решётки / Патент № 2258984 РФ. Бюллетень изобретений, 2005, №23. 4. Мануилов М.Б., Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности /Заявка на патент № 2006104748 от 15.02.2006 г. 5. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А.. Способ формирования многолепестковых диаграмм направленности антенной решётки / Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ» ИРЭМВ-2003, Таганрог, 2003 г., с. 88-91. 6. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Климухин Д.В. Безуглов Ю.Д. Новые приложения теоремы об экстремальных свойствах характеристических чисел пучка эрмитовых форм в задачах оптимизации многофункциональных антенных решеток. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ-2005». – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г. с. 101-103. 7. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Кузнецов А.А. Формирование многолепестковых диаграмм направленности антенных решёток со стабилизацией положения и уровней лучей. Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Материалы Международной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ-2005». – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г. с. 46-48. 8. Безуглов Ю.Д. Влияние дискретности амплитуд и фаз токов на формирование многолепестковых диаграмм направленности антенных решеток Ростовский институт сервиса ЮРГУЭС. Сборник научных трудов. Социально-экономические и технологические проблемы развития сферы услуг. Вып. 3 Том 3. Ростов н/Д: Изд-во РИС ЮРГУЭС, 2004 г. -172с. 9. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Способ управления формой диаграммы направленности антенной решетки. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып. 1. – Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. -312 с. 10. Мануилов М.Б. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Интеллектуальная антенна для мобильной связи в условиях многолучевого распространения сигнала. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып. 1. – Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. -312 с. 11. Мануилов Б.Д. Башлы П.Н. Безуглов Ю.Д. Формирование многолепестковых диаграмм направленности плоских антенных решеток. Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов I Межрегиональной научно-практической конференции. Вып. 1. – Ростов н/Д: РГПУ, 2006 г. -312 с. 12. Мануилов Б.Д., Башлы П.Н., Безуглов Ю.Д., Кузнецов А.А.. Формирование многолепестковых объёмных диаграмм направленности плоской антенной решётки / Tезисы межвузовской НТК «Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем». РВИ РВ, 2003 г. 13. Мануилов Б.Д., Безуглов Ю.Д., Костенко Д.И.. Способ формирования двух независимо ориентируемых лепестков в объёмной диаграмме направленности антенной решётки с дискретными фазовращателями / Tезисы межвузовской НТК «Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем». РВИ РВ, 2003 г. 14. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануилов Б.Д. Способы формирования многлепестковых диаграмм направленности антенных решеток /В этапном отчете о НИР «Библиография-6» на спец. тему. инв. № 50368, Ростов-на-Дону, 2004 г. 15. Безуглов Ю.Д., Башлы П.Н., Мануилов Б.Д. Научно-методический аппарат, рекомендации по построению многолучевых антенных решеток /В этапном отчете о НИР «Библиография-6» на спец. тему. инв. №50540, Ростов-на-Дону, 2005 г. Издательство Ростовского института сервиса Сдано в набор 13.09.06. Подписано в печать 13.09.06. Зак. № 74. Печ. листов 1. Учетно-изд. л. 0,8. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тир. 100 экз. Отпечатано в РИС ЮРГУЭС, Варфоломеева, 215.

Похожие:

	Программа конференции включает в себя ряд мероприятий Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук		Численное моделирование ионосферных предвестников сильных землетрясений... Западное отделение Учреждения ран «Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова» ран
	«Распространение радиоволн. Радиолокация. Понятие о телевидении. Развитие средств связи» ...		Атмосфера планет, моделирование, мониторинг, электромагнитное излучение,... Феры, микрофизические и оптические характеристики атмосферного аэрозоля, теория переноса излучения в атмосфере, теория распространения...
	Журнала ...		Тема. Принятие решений в условиях неопределенности Образовательная дать знания о Кибертерроризме, путях их распространения, об антивирусных программах и способах их использования на...
	Название деятельности и организатор Приращение профессиональной компетентности учителей начальных классов оу в условиях разработки, реализации и распространения современных...		Программа дисциплины дпп. Ф. 10 Органический синтез цели и задачи... Курс «Органический синтез» проводится после изучения систематического курса органической химии и выполнения практических работ малого...
	Программа дисциплины «Распространение радиоволн и антенно-фидерные... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки / специальности...		Рабочая программа по преподаванию курса «Музыка в формировании духовной... Курс «Синтез искусств» базируется на программе Неменского Б. М. «Изобразительное искусство и художественный труд 1-9 класс»
	Рабочей программы дисциплины «Корпоративное управление» Цель дисциплины Цель дисциплины – формирование у будущего специалиста навыков к профессиональной деятельности в условиях конкурентной среды и распространения...		Учебная программа по дисциплине " информационное обеспечение управления " Изучение теоретических, методических и практических вопросов разработки, внедрения и совершенствования информационного обеспечения...
	П. Глоба Анализ и синтез гороскопа Издательство Роспринт Санкт-Петербург... Некоммерческого партнерства специализированных организаций нефтехимической и нефтегазовой промышленности		Задачи : Дать достоверную информацию о вич-инфекции и спиде, способах... ...
	Радиофизический факультет Содержание дисциплины направлено на изучение физических принципов построения волноведущих и антенных устройств и базируется на знаниях...		Методическое пособие для воспитателей и педагогов. М. М-синтез, 2005... Программа воспитания и обучения в детском саду. /под редакцией М. А. Васильевой, В. В. Гербовой, Т. С. Комаровой./ Москва. Мозаика-Синтез,...