Помощь студентам в учебе
ШЕСТИКАНАЛЬНАЯ СЕКТОРНАЯ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА
|
АННОТАЦИЯ 3
Введение 3
1 Особенности и применение многолучевых антенн 8
1.1 Спутниковое вещание 8
1.2 Цифровая связь 9
1.3 Радиолокация и дистанционное зондирование Земли 10
2 Структура многолучевой антенны. Диаграммообразующие схемы 12
2.1 Аналоговые схемы 13
2.2 ДОС оптического типа 15
2.3 Цифровые антенные решетки 18
3 Модель 6-лучевой антенны с линейной поляризацией для частотного диапазона GSM900 20
3.1 Геометрия электродов модели антенны 20
3.2 Согласование антенны с фидером 21
3.3 Характеристики направленности антенны 22
3.4 Результаты 26
4 Модель 6-лучевой антенны с линейной поляризацией для частотного диапазона 2100 - 2600 МГц 27
4.1 Геометрия электродов модели антенны 27
4.2 Согласование антенны с фидером 28
4.3 Характеристики направленности антенны 29
4.4 Результаты 32
5 Прототип 6-лучевой антенны для частотного диапазона 2100.. ,2600МГц 33
5.1 Модель одного сектора 6-лучевой антенны 33
5.2 Характеристики прототипа 37
5.2 Результаты 43
Заключение 44
Список использованной литературы 45
Список публикаций автора по теме работы 47
Приложение А Чертеж рупорной антенны 48
Приложение Б Диплом конференции АПР-2021 51
Приложение В Отчет о патентных исследованиях 52
Введение 3
1 Особенности и применение многолучевых антенн 8
1.1 Спутниковое вещание 8
1.2 Цифровая связь 9
1.3 Радиолокация и дистанционное зондирование Земли 10
2 Структура многолучевой антенны. Диаграммообразующие схемы 12
2.1 Аналоговые схемы 13
2.2 ДОС оптического типа 15
2.3 Цифровые антенные решетки 18
3 Модель 6-лучевой антенны с линейной поляризацией для частотного диапазона GSM900 20
3.1 Геометрия электродов модели антенны 20
3.2 Согласование антенны с фидером 21
3.3 Характеристики направленности антенны 22
3.4 Результаты 26
4 Модель 6-лучевой антенны с линейной поляризацией для частотного диапазона 2100 - 2600 МГц 27
4.1 Геометрия электродов модели антенны 27
4.2 Согласование антенны с фидером 28
4.3 Характеристики направленности антенны 29
4.4 Результаты 32
5 Прототип 6-лучевой антенны для частотного диапазона 2100.. ,2600МГц 33
5.1 Модель одного сектора 6-лучевой антенны 33
5.2 Характеристики прототипа 37
5.2 Результаты 43
Заключение 44
Список использованной литературы 45
Список публикаций автора по теме работы 47
Приложение А Чертеж рупорной антенны 48
Приложение Б Диплом конференции АПР-2021 51
Приложение В Отчет о патентных исследованиях 52
Одной из актуальных проблем современной антенной техники является построение многофункциональных пассивных и активных антенных систем, обеспечивающих высокоэффективную работу различных радиотехнических комплексов. Возможный путь реализации таких антенных систем состоит в использовании многолучевых антенн (МА). Интерес к МА определяется их способностью формировать в пространстве веер диаграмм направленности (ДН), каждой из которых соответствует определенный входной канал.
Таким образом, на сегодняшний день актуальной задачей является создание и совершенствование многолучевых антенн. Многолучевые антенны обеспечивают увеличение емкости радиосетей при более высоком качестве обслуживания. Что позволяет использовать МА в системах спутниковой и цифровой связи, а также радиолокации.
Каждая из перечисленных областей применения накладывает определенные условия на разрабатываемую антенну. Одно из таких условий - рабочий частотный диапазон антенны. Для спутниковой связи чаще других используются C-диапазон (4...8 ГГц) и Ku-диапазон (12...18 ГГц). Радиолокация имеет широкий класс задач, которые определяют рабочий частотный диапазон, начиная с частот ниже 300 МГц, заканчивая частотами близкими к 100 ГГц. Среди прочих, интерес вызывают устройства обнаружения, пеленгации и блокировки каналов управления и навигации беспилотных летательных аппаратов (БпЛА), и радиолокационные станции (РЛС) контрбатарейной борьбы (КББ). Здесь стоит привести РЛС, разработанные Смоленский НИЦ РЭС «Завант», «Фасет» и «Завант 180», их рабочий диапазон частот 1,0.. .2,0 ГГц (L-диапазон). Для РЛС КББ в основном используются следующие диапазоны частот: 1,0...2,0ГГц (L-диапазон),
2,4 ГГц, 5 ГГц, 9.12 ГГц. Для антенн, обеспечивающих цифровую сотовую связь, наиболее популярным является стандарт GSM900 (890...960 МГц). Он используется во всех поколениях цифровой связи. Также интересны стандарты UMTS2100 (1920...2170 МГц) и LTE2600 (2500...2690 МГц), используемые в 3
третьем (3G) и четвертом(4С) поколении сотовой связи. Кроме того, в диапазоне частот между этими стандартами, на частоте 2400 МГц, работает оборудование Wi-Fi сетей.
Таким образом, можем объединить две области применения (радиолокация (пеленгация, КББ) и сотовая связь), рассматривая дециметровый диапазон длин волн (300.. .3000 МГц).
Объектом исследования является распространение радиоволн дециметрового диапазона в приемо-передающей многолучевой антенне цилиндрической формы, образованной двумя встречно направленными, усеченными конусами.
Предмет исследования - приемо-передающие многолучевые антенны для дециметрового диапазона радиоволн, их характеристики направленности, поляризация, согласование с фидером.
Целью исследования является получение знаний о закономерностях излучения и приема радиоволн дециметрового диапазона в многолучевой антенне цилиндрической формы, образованной двумя встречно направленными, усеченными конусами.
Основные задачи работы:
• Обзор литературы по многолучевым антенным решеткам и диаграммообразующим схемам;
• Проведение патентного поиска;
• Моделирование в среде cst приемо-передающей антенны с
линейной поляризацией для частотного диапазона GSM900;
• Моделирование в среде cst приемо-передающей антенны с
линейной поляризацией, покрывающей диапазоны UMTS2100 и LTE2600;
• Изготовление макета антенны с рабочим диапазоном частот 2100.2600 МГц, проведение экспериментальных испытаний;
• Сравнение результатов эксперимента с данными, полученными методом моделирования.
Область применения результатов. Полученные результаты могут применяться в сотовой связи, согласно стандартам GSM900, UMTS2100 и LTE2600, при разработке Wi-Fi сетей на частоте 2,4 ГГц, а также в радиолокации, для пеленгации и блокировки каналов управления и навигации БпЛА, и в качестве антенн для контрбатарейной борьбы в частотном диапазоне около 2,4 ГГц.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
1. Для шестиканальной антенны, выполненной в виде двух соосных, встречно направленных, усеченных конусов с углом при вершине 94-96 градусов, и питаемой точечными возбудителями, соединяющими конусы на меньшем радиусе и находящимися на биссектрисе угла, образованного вертикальными границами канала. Разделение на каналы металлическими пластинами, проходящими через ось до края образующей конусов, является условием отсутствия возбуждаемой нормальной составляющей электрического поля в плоскости на границе разделения каналов.
2. Параллельное подключение к пирамидальному рупору, выполненному в виде сектора, ограниченного двумя смежными пластинами с углом 60 градусов в Н-плоскости, и углом 95 градусов в Е-плоскости, питаемому щелевым возбудителем в виде плоскопараллельных пластин с коаксиальным входом, резонатора, конструктивно выполненного в виде треугольной призмы высотой 0,35 длины волны на центральной частоте полосы согласования, компенсирует ёмкостной характер импеданса щели.
Достоверность положений. Численный расчет модуля коэффициента отражения антенны проводился в программной среде cst, с использованием метода конечных интегралов. Данный метод не противоречит основным уравнениям электродинамики, т.е. уравнением Максвелла и уравнением для граничных условий. Достоверность положения 1 подтверждается совпадением результатов численного расчета двух антенн в разных частотных диапазонах (900 МГц и 2,4 ГГц).
Достоверность положения 2 подтверждается согласованностью результатов численного расчета с экспериментальными данными. Прототип антенны был выполнен на основании численной модели. Измерения коэффициента отражения проводились анализатором цепей PNAN5227A (Agilent), относительная погрешность измерений которого, согласно технической документации, около 9%. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения от порта антенны прототипа расходится с результатами численного расчета не более чем на 7% в полосе частот 1.. .5 ГГц.
Новизна положения 1 обусловлена конструктивными особенностями шестиканальной антенны, выполненной в виде двух соосных, встречно направленных, усеченных конусов с углом при вершине 94-96 градусов, и питаемой точечными возбудителями, соединяющими конусы на меньшем радиусе и находящимися на биссектрисе угла между пластинами, предложенными в 2021 году.
Новизна положения 2 заключается в том, что в 2022 году был определен способ компенсации ёмкостного характера импеданса щелевого возбудителя пирамидального рупора, выполненного в виде сектора, ограниченного двумя смежными пластинами с углом 60 градусов в Н-плоскости и углом 95 градусов в Е-плоскости.
Практическая значимость положения 1. Предложенное в положении разделение на каналы шестиканальной антенны, выполненной в виде двух соосных, встречно направленных, усеченных конусов, позволяет достичь поляризационной развязки не менее 40 дБ и развязки между любыми двумя каналами не менее 50 дБ.
Практическая значимость положения 2. Предложенный в положении способ компенсировать ёмкостной характер входного импеданса пирамидальной рупорной антенны, выполненной в виде сектора, ограниченного двумя смежными пластинами с углом 60 градусов в Н- плоскости, и углом 95 градусов в Е-плоскости, питаемому щелевым возбудителем в виде плоскопараллельных пластин с коаксиальным входом, позволяет получить относительную полосу согласования величиной 0,48 без увеличения габаритных размеров антенны.
Был проведен патентный поиск по МА для областей применения, определенных выше. (Приложение Б)
Диссертация состоит из 5 глав. В первой главе перечислены возможные области применения многолучевых антенн. Во второй главе рассматриваются структура многолучевой антенны и схемы формирования диаграммы направленности. Третья глава посвящена исследованию 6-лучевой антенны с линейной поляризацией, работающей в диапазоне частот, соответствующем стандарту GSM-900. В четвертой главе описана 6-лучевая антенна с линейной поляризацией и рабочим диапазоном частот 2,0...2,6 ГГц. Прототип одного сектора этой антенны, в виде пирамидального рупора, его характеристики, а также их сравнение с численным расчетом представлены в пятой главе.
Таким образом, на сегодняшний день актуальной задачей является создание и совершенствование многолучевых антенн. Многолучевые антенны обеспечивают увеличение емкости радиосетей при более высоком качестве обслуживания. Что позволяет использовать МА в системах спутниковой и цифровой связи, а также радиолокации.
Каждая из перечисленных областей применения накладывает определенные условия на разрабатываемую антенну. Одно из таких условий - рабочий частотный диапазон антенны. Для спутниковой связи чаще других используются C-диапазон (4...8 ГГц) и Ku-диапазон (12...18 ГГц). Радиолокация имеет широкий класс задач, которые определяют рабочий частотный диапазон, начиная с частот ниже 300 МГц, заканчивая частотами близкими к 100 ГГц. Среди прочих, интерес вызывают устройства обнаружения, пеленгации и блокировки каналов управления и навигации беспилотных летательных аппаратов (БпЛА), и радиолокационные станции (РЛС) контрбатарейной борьбы (КББ). Здесь стоит привести РЛС, разработанные Смоленский НИЦ РЭС «Завант», «Фасет» и «Завант 180», их рабочий диапазон частот 1,0.. .2,0 ГГц (L-диапазон). Для РЛС КББ в основном используются следующие диапазоны частот: 1,0...2,0ГГц (L-диапазон),
2,4 ГГц, 5 ГГц, 9.12 ГГц. Для антенн, обеспечивающих цифровую сотовую связь, наиболее популярным является стандарт GSM900 (890...960 МГц). Он используется во всех поколениях цифровой связи. Также интересны стандарты UMTS2100 (1920...2170 МГц) и LTE2600 (2500...2690 МГц), используемые в 3
третьем (3G) и четвертом(4С) поколении сотовой связи. Кроме того, в диапазоне частот между этими стандартами, на частоте 2400 МГц, работает оборудование Wi-Fi сетей.
Таким образом, можем объединить две области применения (радиолокация (пеленгация, КББ) и сотовая связь), рассматривая дециметровый диапазон длин волн (300.. .3000 МГц).
Объектом исследования является распространение радиоволн дециметрового диапазона в приемо-передающей многолучевой антенне цилиндрической формы, образованной двумя встречно направленными, усеченными конусами.
Предмет исследования - приемо-передающие многолучевые антенны для дециметрового диапазона радиоволн, их характеристики направленности, поляризация, согласование с фидером.
Целью исследования является получение знаний о закономерностях излучения и приема радиоволн дециметрового диапазона в многолучевой антенне цилиндрической формы, образованной двумя встречно направленными, усеченными конусами.
Основные задачи работы:
• Обзор литературы по многолучевым антенным решеткам и диаграммообразующим схемам;
• Проведение патентного поиска;
• Моделирование в среде cst приемо-передающей антенны с
линейной поляризацией для частотного диапазона GSM900;
• Моделирование в среде cst приемо-передающей антенны с
линейной поляризацией, покрывающей диапазоны UMTS2100 и LTE2600;
• Изготовление макета антенны с рабочим диапазоном частот 2100.2600 МГц, проведение экспериментальных испытаний;
• Сравнение результатов эксперимента с данными, полученными методом моделирования.
Область применения результатов. Полученные результаты могут применяться в сотовой связи, согласно стандартам GSM900, UMTS2100 и LTE2600, при разработке Wi-Fi сетей на частоте 2,4 ГГц, а также в радиолокации, для пеленгации и блокировки каналов управления и навигации БпЛА, и в качестве антенн для контрбатарейной борьбы в частотном диапазоне около 2,4 ГГц.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
1. Для шестиканальной антенны, выполненной в виде двух соосных, встречно направленных, усеченных конусов с углом при вершине 94-96 градусов, и питаемой точечными возбудителями, соединяющими конусы на меньшем радиусе и находящимися на биссектрисе угла, образованного вертикальными границами канала. Разделение на каналы металлическими пластинами, проходящими через ось до края образующей конусов, является условием отсутствия возбуждаемой нормальной составляющей электрического поля в плоскости на границе разделения каналов.
2. Параллельное подключение к пирамидальному рупору, выполненному в виде сектора, ограниченного двумя смежными пластинами с углом 60 градусов в Н-плоскости, и углом 95 градусов в Е-плоскости, питаемому щелевым возбудителем в виде плоскопараллельных пластин с коаксиальным входом, резонатора, конструктивно выполненного в виде треугольной призмы высотой 0,35 длины волны на центральной частоте полосы согласования, компенсирует ёмкостной характер импеданса щели.
Достоверность положений. Численный расчет модуля коэффициента отражения антенны проводился в программной среде cst, с использованием метода конечных интегралов. Данный метод не противоречит основным уравнениям электродинамики, т.е. уравнением Максвелла и уравнением для граничных условий. Достоверность положения 1 подтверждается совпадением результатов численного расчета двух антенн в разных частотных диапазонах (900 МГц и 2,4 ГГц).
Достоверность положения 2 подтверждается согласованностью результатов численного расчета с экспериментальными данными. Прототип антенны был выполнен на основании численной модели. Измерения коэффициента отражения проводились анализатором цепей PNAN5227A (Agilent), относительная погрешность измерений которого, согласно технической документации, около 9%. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения от порта антенны прототипа расходится с результатами численного расчета не более чем на 7% в полосе частот 1.. .5 ГГц.
Новизна положения 1 обусловлена конструктивными особенностями шестиканальной антенны, выполненной в виде двух соосных, встречно направленных, усеченных конусов с углом при вершине 94-96 градусов, и питаемой точечными возбудителями, соединяющими конусы на меньшем радиусе и находящимися на биссектрисе угла между пластинами, предложенными в 2021 году.
Новизна положения 2 заключается в том, что в 2022 году был определен способ компенсации ёмкостного характера импеданса щелевого возбудителя пирамидального рупора, выполненного в виде сектора, ограниченного двумя смежными пластинами с углом 60 градусов в Н-плоскости и углом 95 градусов в Е-плоскости.
Практическая значимость положения 1. Предложенное в положении разделение на каналы шестиканальной антенны, выполненной в виде двух соосных, встречно направленных, усеченных конусов, позволяет достичь поляризационной развязки не менее 40 дБ и развязки между любыми двумя каналами не менее 50 дБ.
Практическая значимость положения 2. Предложенный в положении способ компенсировать ёмкостной характер входного импеданса пирамидальной рупорной антенны, выполненной в виде сектора, ограниченного двумя смежными пластинами с углом 60 градусов в Н- плоскости, и углом 95 градусов в Е-плоскости, питаемому щелевым возбудителем в виде плоскопараллельных пластин с коаксиальным входом, позволяет получить относительную полосу согласования величиной 0,48 без увеличения габаритных размеров антенны.
Был проведен патентный поиск по МА для областей применения, определенных выше. (Приложение Б)
Диссертация состоит из 5 глав. В первой главе перечислены возможные области применения многолучевых антенн. Во второй главе рассматриваются структура многолучевой антенны и схемы формирования диаграммы направленности. Третья глава посвящена исследованию 6-лучевой антенны с линейной поляризацией, работающей в диапазоне частот, соответствующем стандарту GSM-900. В четвертой главе описана 6-лучевая антенна с линейной поляризацией и рабочим диапазоном частот 2,0...2,6 ГГц. Прототип одного сектора этой антенны, в виде пирамидального рупора, его характеристики, а также их сравнение с численным расчетом представлены в пятой главе.
По результатам выполнения научно-исследовательской работы был проведен обзор литературы по многолучевым антеннам и антенным решеткам, способах их выполнения и области применения.
Предложена модель шести лучевой антенны, работающей в диапазоне GSM900 и численно исследованы её характеристики. Относительная полоса согласования антенны по уровню |S11| < -10 дБ составляет 0,14. Излучение антенны линейно поляризовано, поляризационная развязка не менее 40дБ, развязка между любыми двумя каналами не менее 50дБ. КУ не менее 11,2дБ.
Предложена модель шести лучевой антенны, работающей в диапазоне 2,1 - 2,6 ГГц и численно исследованы её характеристики. Относительная полоса согласования антенны при КСВН < 2 составляет 0,3. КУ не менее 11,1дБ.
Изготовлена секторная антенна, представляющая собой один канал шестилучевой антенны для частотного диапазона 2,1-2,6 ГГц. Характеристики изготовленного макета антенны хорошо совпадают с результатами численного моделирования.
Предложена модель шести лучевой антенны, работающей в диапазоне GSM900 и численно исследованы её характеристики. Относительная полоса согласования антенны по уровню |S11| < -10 дБ составляет 0,14. Излучение антенны линейно поляризовано, поляризационная развязка не менее 40дБ, развязка между любыми двумя каналами не менее 50дБ. КУ не менее 11,2дБ.
Предложена модель шести лучевой антенны, работающей в диапазоне 2,1 - 2,6 ГГц и численно исследованы её характеристики. Относительная полоса согласования антенны при КСВН < 2 составляет 0,3. КУ не менее 11,1дБ.
Изготовлена секторная антенна, представляющая собой один канал шестилучевой антенны для частотного диапазона 2,1-2,6 ГГц. Характеристики изготовленного макета антенны хорошо совпадают с результатами численного моделирования.
