Разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА
|
Разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БпЛА) используются для решения разнообразных военных и мирных задач, которые прежде решались с использованием пилотируемых самолётов и вертолётов. Эксплуатация БпЛА в большинстве случаев сравнительно дешева, а их невысокая в сравнении с пилотируемыми ЛА собственная стоимость и отсутствие людей на борту позволяют отправлять их на выполнение заданий, в которых существует значительная опасность потери летательного аппарата.
Применение комплексов с БпЛА стало неотъемлемой частью современных операций (боевых действий), что показал нам опыт их применения в Сирийской Арабской Республике. Их результат напрямую зависти от количества, тактико-технических характеристик и эффективности применения комплексов с БпЛА.
Одним из основных факторов, влияющих на эффективность применения комплексов с БпЛА, да и в целом на целесообразность их применения вообще – является система информационного обмена с БпЛА, обеспечивающая управление, и передачу (получение) разведывательной информации – то ради чего собственно БЛА и летает.
Как и во многих других военных задачах, важность и значимость системы связи и управления беспилотником равна значимости самого беспилотника, а если иметь в виду (существующую не только для беспилотников, но и других военных систем и комплексов) возможность (в силу недостатков системы связи и управления) перехвата БЛА противником и использования против исходного владельца, то значимость системы связи, как ни странно, превосходит значимость управляемого с ее помощью образца военной техники.
Эффективное решение задач воздушной разведки в соответствующих подразделениях Вооруженных Сил РФ в значительной степени зависит от эффективности функционирования выделенных радиоканалов и технических средств передачи, приема и обработки информации аэрокосмического мониторинга.
Одним из важных частей системы связи, управления БЛА являются антенны. Особенно важным моментом здесь являются в общем известные из теории антенн факты, что неправильно подобранная антенны может «убить» или свести на нет достоинства вполне удачной системы связи, что даже «хорошую» антенну необходимо «согласовывать» с питающей системой, добиваясь оптимальных значений коэффициентов стоячей и бегущей волны. В общем антенные структуры, особенно в свете последних достижений в области антенных решеток, антенных решеток дифракционного типа, плоских дифракционных антенн фазированных антенных решеток и др. - это то, что можно и нужно оптимизировать, поскольку от удачно разработанной антенны можно ожидать выигрыш в разы, в том числе даже по энергетическим параметрам сигнала при одинаковой мощности передатчика.
Поэтому совершенствование антенных устройств для связи с БпЛА является актуальной задачей.
Задачи оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа и совершенствования антенных решеток в том числе дифракционных, являются тесно взаимосвязанными задачами и даже в некотором смысле синонимичными, поскольку часто вышеуказанные задачи, являясь одними и теми же по сути, приобретают различия в названии в зависимости от приложений. Действительно, общими в этих задачах являются подзадачи совершенствования базовых дифракционных структур антенных решеток, базовых элементов дифракционных антенных решеток, дифракционные решетки также используются в качестве излучающей апертуры плоских дифракционных антенн.
Весьма актуальными являются задачи создания и совершенствования антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу, для средств связи БпЛА, исследования и создания бортовых антенн с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу, изучение и разработка принципов синтезирования антенных решеток, оптимизации бортовых антенных решеток, исследование наземных антенн с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Также наиболее важными остаются вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн синтезированными по широкополосному сигналу. Не менее важной задачей, связанной с вышеуказанными задачами, но и имеющей вместе с тем базовый, основополагающий характер и самостоятельную ценность является задача разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА.
Основными достоинствами плоской антенны являются: компактность, плоская геометрия в сочетании с дистанционным электронным управлением типом поляризации, герметичность конструкции, транспортабельность.
Однако особенно ярко преимущества управляемых и неуправляемых ПДА раскрываются при использовании их в бортовых системах КВЧ диапазона волн. Отсутствие выступающих элементов делает незаменимыми антенны подобного типа в плане снижения аэродинамических нагрузок летательных аппаратов различного назначения.
Целью проведенной работы является улучшение тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА), разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА.
Задачи работы. Задача, решаемая в работе, состоит в разработке, исследовании и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, разработке методов повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток, с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Решение задачи подразумевает решение более частных взаимосвязанных задач:
- разработки библиотеки базовых схем плоских СВЧ антенн дифракционного типа;
- разработки и исследования плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением;
- исследование плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками;
- оптимизация параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона;
-анализа требований к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн, к их энергетическим показателям, показателям помехозащищенности, выработки критериев и оптимизации указанных требований;
-исследования принципов синтезирования антенных решеток применительно к задачам оптимизации бортовых антенных решеток, моделирования антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу;
-разработки методов синтезирования ДН мало элементных бортовых антенных решеток средств связи, использующих широкополосные сигналы, в соответствии с выработанными требованиями и критериями;
-разработки метода формирования направленных свойств антенных решеток наземной аппаратуры связи, использующих широкополосные сигналы, и оптимизацию их в соответствии с выработанными критериями;
-проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению показателей антенн радиосредств связи с БЛА;
-моделирования наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, применению широкополосных сигналов в антенных решетках наземных средств связи;
-изучения вопросов практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, исследование возможностей аппаратной реализации широкополосных систем связи, оценке эффективности бортовых антенн и антенн наземной части аппаратуры, моделированию антенной решетки наземной антенны;
-выработки предложений по практической реализации указанных методов и технических решений.
Актуальность данной работы заключается в основополагающей важности системы информационного обмена с БпЛА, которая по значимости равна и даже превосходит значимость самого БЛА (так как при недостатках в этой системе возможен перехват БЛА противником и использование против исходного владельца). При этом вопросы, исследуемые в работе, активно изучаются в последние десятилетия, что подтверждается значительным количеством экспериментальных и теоретических работ, опубликованных в этом направлении, часть которых отражена в прилагаемом списке литературы.
Научная новизна работы заключается в исследовании принципов синтезирования антенных решеток применительно к задачам оптимизации бортовых антенных решеток, в моделировании антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу, в моделировании наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу. В исследовании и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, в исследовании плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением, в исследовании плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками, в оптимизации параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона.
Практическая значимость работы заключается в разработке вопросов практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, в разработке и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, позволяющих существенно повысить энергетический потенциал системы связи, оптимизировать диаграмму направленности реальных антенн, повысить коэффициент их усиления, обеспечить оптимальные параметры согласования с питающим трактом.
Данная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников.
Глава 1 (Требования к антенным устройствам средств связи и направления их реализации) настоящей ВКР посвящена установлению требований к антеннам средств связи, к их энергетическим показателям, показателям помехозащищенности, и указанию основных путей улучшения бортовых и наземных антенн.
Глава 2 (Бортовые антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу) посвящена принципам синтезирования антенных решеток задачам оптимизации бортовых антенных решеток, моделированию антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу
Глава 3 (Наземные антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу) посвящена моделированию наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, применению широкополосных сигналов в антенных решетках наземных средств связи.
Глава 4 (Разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа) посвящена вопросам разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, а именно:
Разработке библиотеки базовых схем плоских СВЧ антенн дифракционного типа, разработке и исследованию плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением, исследованию плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками, оптимизации параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона.
Глава 5 (Вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу) посвящена вопросам практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, а именно: исследованию возможностей аппаратной реализации широкополосных систем связи, оценке эффективности бортовых антенн и антенн наземной части аппаратуры, моделированию антенной решетки наземной антенны.
В заключении систематизируются и кратко формулируются основные результаты, полученные в работе, делаются выводы и оцениваются преимущества практического применения полученных результатов.
Результаты дипломной работы были внедрены в ОКР «Фломастер», ОКР «Пассивный когерентный локатор», ОКР «Траектория-Ф» (Акты внедрения прилагаются) Научно – производственного предприятия АО «Автоматизированные системы связи», являющегося одним из основных разработчиков в Российской Федерации приоритетных проектов, связанных с ОПК. Некоторые результаты упомянутых ОКР были представлены на центральном телевидении вице-премьером Дмитрием Рогозиным в рамках освещения приоритетных проектов.
Использование результатов дипломной работы внесло определенный вклад в разработку нового поколения систем связи и повышения их качества, что подтверждается актом о внедрении результатов диссертационной работы в НПП АО «Автоматизированные системы связи».
Апробация результатов работы. Результаты дипломной работы (ВКР) докладывались, обсуждались и были опубликованы в виде научной статьи в материалах Всероссийской научно-практической конференции «Беспилотная авиация: состояние и перспективы развития», Воронеж, 5-6 марта 2019 года.
Структура и объем дипломной работы (ВКР). Дипломная работа (ВКР) состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований. Работа изложена на 156 страницах и содержит 64 рисунка и 14 таблиц.
Правильность полученных в работе результатов подтверждается корректным использованием методов классической электродинамики, теории антенн, математического моделирования методов теории решения экстремальных задач, методов теории дифракции и применение апробированных компьютерных программ таких как: Mathematica Wolfram Research, CST MicroWave Studio, Maple, Matlab, Mathcad.
В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БпЛА) используются для решения разнообразных военных и мирных задач, которые прежде решались с использованием пилотируемых самолётов и вертолётов. Эксплуатация БпЛА в большинстве случаев сравнительно дешева, а их невысокая в сравнении с пилотируемыми ЛА собственная стоимость и отсутствие людей на борту позволяют отправлять их на выполнение заданий, в которых существует значительная опасность потери летательного аппарата.
Применение комплексов с БпЛА стало неотъемлемой частью современных операций (боевых действий), что показал нам опыт их применения в Сирийской Арабской Республике. Их результат напрямую зависти от количества, тактико-технических характеристик и эффективности применения комплексов с БпЛА.
Одним из основных факторов, влияющих на эффективность применения комплексов с БпЛА, да и в целом на целесообразность их применения вообще – является система информационного обмена с БпЛА, обеспечивающая управление, и передачу (получение) разведывательной информации – то ради чего собственно БЛА и летает.
Как и во многих других военных задачах, важность и значимость системы связи и управления беспилотником равна значимости самого беспилотника, а если иметь в виду (существующую не только для беспилотников, но и других военных систем и комплексов) возможность (в силу недостатков системы связи и управления) перехвата БЛА противником и использования против исходного владельца, то значимость системы связи, как ни странно, превосходит значимость управляемого с ее помощью образца военной техники.
Эффективное решение задач воздушной разведки в соответствующих подразделениях Вооруженных Сил РФ в значительной степени зависит от эффективности функционирования выделенных радиоканалов и технических средств передачи, приема и обработки информации аэрокосмического мониторинга.
Одним из важных частей системы связи, управления БЛА являются антенны. Особенно важным моментом здесь являются в общем известные из теории антенн факты, что неправильно подобранная антенны может «убить» или свести на нет достоинства вполне удачной системы связи, что даже «хорошую» антенну необходимо «согласовывать» с питающей системой, добиваясь оптимальных значений коэффициентов стоячей и бегущей волны. В общем антенные структуры, особенно в свете последних достижений в области антенных решеток, антенных решеток дифракционного типа, плоских дифракционных антенн фазированных антенных решеток и др. - это то, что можно и нужно оптимизировать, поскольку от удачно разработанной антенны можно ожидать выигрыш в разы, в том числе даже по энергетическим параметрам сигнала при одинаковой мощности передатчика.
Поэтому совершенствование антенных устройств для связи с БпЛА является актуальной задачей.
Задачи оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа и совершенствования антенных решеток в том числе дифракционных, являются тесно взаимосвязанными задачами и даже в некотором смысле синонимичными, поскольку часто вышеуказанные задачи, являясь одними и теми же по сути, приобретают различия в названии в зависимости от приложений. Действительно, общими в этих задачах являются подзадачи совершенствования базовых дифракционных структур антенных решеток, базовых элементов дифракционных антенных решеток, дифракционные решетки также используются в качестве излучающей апертуры плоских дифракционных антенн.
Весьма актуальными являются задачи создания и совершенствования антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу, для средств связи БпЛА, исследования и создания бортовых антенн с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу, изучение и разработка принципов синтезирования антенных решеток, оптимизации бортовых антенных решеток, исследование наземных антенн с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Также наиболее важными остаются вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн синтезированными по широкополосному сигналу. Не менее важной задачей, связанной с вышеуказанными задачами, но и имеющей вместе с тем базовый, основополагающий характер и самостоятельную ценность является задача разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА.
Основными достоинствами плоской антенны являются: компактность, плоская геометрия в сочетании с дистанционным электронным управлением типом поляризации, герметичность конструкции, транспортабельность.
Однако особенно ярко преимущества управляемых и неуправляемых ПДА раскрываются при использовании их в бортовых системах КВЧ диапазона волн. Отсутствие выступающих элементов делает незаменимыми антенны подобного типа в плане снижения аэродинамических нагрузок летательных аппаратов различного назначения.
Целью проведенной работы является улучшение тактико-технических характеристик аппаратуры радиосвязи с беспилотным летательным аппаратом (БЛА), разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА.
Задачи работы. Задача, решаемая в работе, состоит в разработке, исследовании и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, разработке методов повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток, с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Решение задачи подразумевает решение более частных взаимосвязанных задач:
- разработки библиотеки базовых схем плоских СВЧ антенн дифракционного типа;
- разработки и исследования плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением;
- исследование плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками;
- оптимизация параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона;
-анализа требований к электрическим характеристикам бортовых и наземных антенн, к их энергетическим показателям, показателям помехозащищенности, выработки критериев и оптимизации указанных требований;
-исследования принципов синтезирования антенных решеток применительно к задачам оптимизации бортовых антенных решеток, моделирования антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу;
-разработки методов синтезирования ДН мало элементных бортовых антенных решеток средств связи, использующих широкополосные сигналы, в соответствии с выработанными требованиями и критериями;
-разработки метода формирования направленных свойств антенных решеток наземной аппаратуры связи, использующих широкополосные сигналы, и оптимизацию их в соответствии с выработанными критериями;
-проведения количественной оценки эффективности предлагаемых мер по улучшению показателей антенн радиосредств связи с БЛА;
-моделирования наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, применению широкополосных сигналов в антенных решетках наземных средств связи;
-изучения вопросов практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, исследование возможностей аппаратной реализации широкополосных систем связи, оценке эффективности бортовых антенн и антенн наземной части аппаратуры, моделированию антенной решетки наземной антенны;
-выработки предложений по практической реализации указанных методов и технических решений.
Актуальность данной работы заключается в основополагающей важности системы информационного обмена с БпЛА, которая по значимости равна и даже превосходит значимость самого БЛА (так как при недостатках в этой системе возможен перехват БЛА противником и использование против исходного владельца). При этом вопросы, исследуемые в работе, активно изучаются в последние десятилетия, что подтверждается значительным количеством экспериментальных и теоретических работ, опубликованных в этом направлении, часть которых отражена в прилагаемом списке литературы.
Научная новизна работы заключается в исследовании принципов синтезирования антенных решеток применительно к задачам оптимизации бортовых антенных решеток, в моделировании антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу, в моделировании наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу. В исследовании и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, в исследовании плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением, в исследовании плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками, в оптимизации параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона.
Практическая значимость работы заключается в разработке вопросов практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, в разработке и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, позволяющих существенно повысить энергетический потенциал системы связи, оптимизировать диаграмму направленности реальных антенн, повысить коэффициент их усиления, обеспечить оптимальные параметры согласования с питающим трактом.
Данная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников.
Глава 1 (Требования к антенным устройствам средств связи и направления их реализации) настоящей ВКР посвящена установлению требований к антеннам средств связи, к их энергетическим показателям, показателям помехозащищенности, и указанию основных путей улучшения бортовых и наземных антенн.
Глава 2 (Бортовые антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу) посвящена принципам синтезирования антенных решеток задачам оптимизации бортовых антенных решеток, моделированию антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу
Глава 3 (Наземные антенны с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу) посвящена моделированию наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, применению широкополосных сигналов в антенных решетках наземных средств связи.
Глава 4 (Разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа) посвящена вопросам разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, а именно:
Разработке библиотеки базовых схем плоских СВЧ антенн дифракционного типа, разработке и исследованию плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением, исследованию плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками, оптимизации параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона.
Глава 5 (Вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу) посвящена вопросам практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, а именно: исследованию возможностей аппаратной реализации широкополосных систем связи, оценке эффективности бортовых антенн и антенн наземной части аппаратуры, моделированию антенной решетки наземной антенны.
В заключении систематизируются и кратко формулируются основные результаты, полученные в работе, делаются выводы и оцениваются преимущества практического применения полученных результатов.
Результаты дипломной работы были внедрены в ОКР «Фломастер», ОКР «Пассивный когерентный локатор», ОКР «Траектория-Ф» (Акты внедрения прилагаются) Научно – производственного предприятия АО «Автоматизированные системы связи», являющегося одним из основных разработчиков в Российской Федерации приоритетных проектов, связанных с ОПК. Некоторые результаты упомянутых ОКР были представлены на центральном телевидении вице-премьером Дмитрием Рогозиным в рамках освещения приоритетных проектов.
Использование результатов дипломной работы внесло определенный вклад в разработку нового поколения систем связи и повышения их качества, что подтверждается актом о внедрении результатов диссертационной работы в НПП АО «Автоматизированные системы связи».
Апробация результатов работы. Результаты дипломной работы (ВКР) докладывались, обсуждались и были опубликованы в виде научной статьи в материалах Всероссийской научно-практической конференции «Беспилотная авиация: состояние и перспективы развития», Воронеж, 5-6 марта 2019 года.
Структура и объем дипломной работы (ВКР). Дипломная работа (ВКР) состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований. Работа изложена на 156 страницах и содержит 64 рисунка и 14 таблиц.
Правильность полученных в работе результатов подтверждается корректным использованием методов классической электродинамики, теории антенн, математического моделирования методов теории решения экстремальных задач, методов теории дифракции и применение апробированных компьютерных программ таких как: Mathematica Wolfram Research, CST MicroWave Studio, Maple, Matlab, Mathcad.
Совокупность результатов проведенной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу и на основе разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа.
Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:
1) На основе проведенного анализа определены требования к характеристикам направленности бортовых и наземных антенн средств связи, исходя из условий конкретного применения БЛА. Разработаны методики определения оптимальных ДН;
2) Предложено использование в качестве бортовых антенн средств связи с широкополосными сигналами антенных решеток, с синтезированными ДН. Определены оптимальные значения весовых коэффициентов для случаев управляемых и неуправляемых ДН в режимах приема и передачи. Показана возможность повышения потенциала линии связи и ослабления влияния помех от соседних источников;
3) Предложено использование антенных решеток с синтезированными ДН в наземной аппаратуре средств связи с ШП сигналами. Предложено осуществлять синтезирование их диаграмм направленности при совместном выборе весовых коэффициентов пространственно-частотной обработки и спектрального состава используемых сигналов. Для этих условий показана возможность эффективной селекции излучений от нескольких источников, без ослабления приема полезного сигнала. Также показана возможность повышения потенциала связи;
4) На основании проведенного анализа получены количественные оценки для типичного числа излучателей, типичного числа используемых частотных каналов и размеров и форм БЛА среднего класса. Показано, что использование методов синтезирования ДН бортовых антенн позволяет повысить потенциал связи до 13 дБ для управляемых и до 13 дБ ослабить влияние интерференционных провалов для неуправляемых ДН. А также практически полностью исключить влияние помехи за счет антенного фактора. Использование техники синтезирования ДН антенн наземной аппаратуры позволяет для решеток из 6-12 излучателей и 6-12 частотных каналов повысить потенциал связи до 11 дБ, а также увеличить отношение сигнал/помеха до 18 дБ. Полученные зависимости могут использоваться как рекомендации при проектировании средств связи с ШП сигналами;
5) Выработаны рекомендации по практическому осуществлению процедур оптимизации для бортовых антенн, с учетом влияния объекта установки, и наземных антенн, с учетом взаимной связи излучателей в решетке.
В итоге проведенных разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа получены следующие результаты:
1) Создана библиотека базовых структурных схем плоских дифракционных антенн, в которых реализованы различные режимы их возбуждения поверхностными электромагнитными волнами;
2) Проведено математическое моделирование основных видов плоских дифракционных антенн (исследованы частотные зависимости КСВН, эффективности, диаграммы направленности). Определены предельно достижимые параметры ПДА (эффективность, уровень боковых лепестков, ширина полосы рабочих частот);
3) Проведено экспериментальное исследование разработанного с помощью созданного математического и программного обеспечения САПР линейного возбуждающего устройства на основе желобкового вставного диэлектрического волновода с парными металлическими излучателями, подтвердившее его высокую эффективность;
4) Разработана методика оптимизации продольной зависимости прицельного расстояния с целью максимизации эффективности плоских дифракционных антенн, адекватность и эффективность которой подтверждены в результате натурных экспериментальных исследований;
5) Проведено автоматизированное проектирование, оптимизация параметров, экспериментальные и натурные исследования (в режиме приема программ спутникового телевизионного вещания) плоских дифракционных антенн 3-х сантиметрового диапазона волн. Показано, что реально достичь значений эффективности ПДА, близких 60 %. Подтверждены эффективность и адекватность математических моделей, методов и алгоритмов оптимизации, составляющих математическое обеспечение САПР дифракционных мобильных антенных решеток.
Основными достоинствами плоской антенны являются: компактность, плоская геометрия в сочетании с дистанционным электронным управлением типом поляризации, герметичность конструкции, транспортабельность.
Однако, особенно ярко преимущества управляемых и неуправляемых ПДА раскрываются при использовании их в бортовых системах КВЧ диапазона волн. Отсутствие выступающих элементов делает незаменимыми антенны подобного типа в плане снижения аэродинамических нагрузок летательных аппаратов различного назначения.
Полученные в ходе экспериментальных и натурных испытаний параметры созданных ПДА подтверждают их конкурентоспособность с наиболее часто используемыми апертурными антеннами (параболическими) и высокую актуальность разработки ПДА и соответствующих систем автоматического проектирования ПДА (САПР ПДА).
Использование направленной антенны позволяет увеличить отношения сигнал/шум и увеличить дальность. Эти антенны диапазона 3см, это 10,9-12,5 ГГц, могут быть использованы как для спутниковой связи, так и для связи с БпЛА (хотя в основном для связи с БпЛА используется дециметровый диапазон).
При этом для исследуемых ПДА характерной особенностью является многофункциональность и многозадачность – они могут быть использованы (с обсуждаемыми преимуществами) и для связи с БпЛА и для связи со спутником. То есть и для информационного обмена между наземной станцией комплексов включающих БЛА и спутником, и для непосредственного информационного обмена между БЛА и спутником и, таким образом, решать важную задачу интеграции спутников в комплекс с БЛА).
Подобная концепция многофункциональности, многократного дублирования, является вполне оправданной, когда идет речь о решении критически важных задач, доведении критически важного управляющего сигнала, или критически важной информации.
На Рис. 4.8 главы 4 приведена ПДА с управляемой поляризацией, которая может обеспечить так называемое поляризационное кодирование передаваемого сигнала, что имеет ряд собственных преимуществ, связанных с повышенными помехоустойчивостью, плотностью передаваемой информации и при применении специальных схем именно поляризационного кодирования - повышенной защитой от несанкционированного доступа (расшифровки информации, ее подмены).
Сравнивая характеристики исследуемых ПДА с наиболее распространенными типами антенн, такими, как, например, штыревая антенна, можно говорить о том, что коэффициент усиления у исследуемых ПДА выше до нескольких раз в зависимости от типа антенны выбранной для сравнения. Это является важным преимуществом в связи со следующими соображениями.
Одна из проблем связи с БЛА – ограничение дальности (наличие мультипликативных и аддитивных помех). Дальность можно повысить используя направленную антенну. Повышая коэффициент усиления (КУ) мы повышаем энергетический потенциал системы связи и дальность связи.
Таким образом, высокий коэффициент усиления является одним из значительных преимуществ исследуемых и разрабатываемых ПДА.
Кроме того, несомненным преимущество исследуемых и разрабатываемых ПДА – является то, что они плоские и эргономичные. Отсутствует выступающие элементы, что очень важно, например, на размещении на ЛА и БЛА.
В случае ее размещения на ЛА и БЛА, в зависимости от выбранного диапазона, а именно если в этом диапазоне сложно организовать электромагнитное управление диаграммой направленности, антенну нужно будет механически поворачивать, наводя на НСУ (так как некоторых диапазонах затруднительно э.м. управление ДН – диаграммой направленности).
При этом и проблема организации электромагнитного управления ДН может быть решена. Если перейти в миллиметровый или субмиллиметровый диапазон, то можно заменить конструктивно входящий в структуры антенны диэлектрик ферритом или сегнетоэлектриком и управлять диаграммой направленности электромагнитным (электронным) образом.
Исследуемые ПДА и плоские дифракционные антенные решетки фактически равны по всем свойствам (ДН, КУ…) более громоздким и сложным пространственным структурам с выступающими элементами, занимающими большой объем и т.д. А компактные и эргономичные ПДА являются в электромагнитном смысле фактическим двойником таких менее эргономичных и в разы более крупных по геометрическим параметрам структур.
Отметим, что в работе решается задача повышения разрешающей способности антенных решеток – а это повышение способности аппаратуры по угловым координатам одновременно отслеживать и оценивать параметры нескольких целей.
Например, в случае низкой разрешающей способности мы можем различить “смутное” пятно, а в случае высокой поймем, что это например группа истребителей.
Также, эффективнее может быть решена более актуальная в смысле организации информационного обмена задача: найти объект, чтобы начать с ним информационный обмен.
Плоская антенна, расположенная, например, на крыше автомобиля в нерабочем - сложенном состоянии является малозаметной, далее подняли в рабочее положение, повернули – нашла беспилотник – связь – затем в исходное положение. Но, если сделать маленькой, то можно устанавливать на БпЛА, но ее придется механически поворачивать.
Опираясь на данные таблицы 4.2 главы 4, отметим что у разработанных антенн коэффициент усиления (КУ) в рабочей полосе частот имеет значения 40,7 – 41,3 Дб – это весьма серьезное достижение так как, у штыревой антенны, например, 2 Дб.
Также, преимуществом исследуемых антенн является узкий луч, уровень боковых лепестков (Дб) не более -13 – это действительно узкий луч, что означает во первых: вся энергия излучается в нужном направлении, что в свою очередь означает увеличение дальности, а во вторых за счет низкого уровня боковых лепестков получается сниженная заметность.
Также, следует отметить у исследуемых, моделируемых и разрабатываемых антенн низкий уровень кросс-поляризации в рабочей полосе частот: не более -20 Дб.
С кросс-поляризации выгодно бороться, когда ее уровень низок и -20 Дб – это дейтвительно низкий уровень. Низкий уровень кросс-поляризации выгоден, например, при поляризационном кодировании информации (кросс-поляризация грубо говоря,- это расплывание, изменение, переход из одной поляризации в другую, например, из горизонтальной в вертикальную или наоборот), а при поляризационном кодировании, когда мы кодируем, например, горизонтальной 0, а вертикальной единицу, то смешивание между видами поляризациями (кросс-поляризациями) – нам совершенно не выгодно. О преимуществах же и особых возможностях поляризационного кодирования говорилось выше.
Говоря о преимуществах (по сравнению с другими типами антенн) рассматриваемых структур по отношению к помехам, к РЭБ, шумам, отметим следующее. Эти преимущества определяются уровнем боковых лепестков диаграммы направленности. Таким образом, влияние шумов, помех можно снизить, а устойчивость системы связи к ним повысить, используя неравномерное амплитудное распределение поля в раскрыве антенны.
Также, неоспоримым преимуществом разрабатываемых в работе антенных структур является возможность достижения низких значений коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) = 1. Эта задача легко решается за счет изменения угла между решетками. Улучшение согласования ПДА с питающим трактом возможно без значительного уменьшения ее полной эффективности антенных устройств и возрастания уровня боковых лепестков. Задача же согласования антенны с фидером является одной из самых «болезненных», решается сложно и требует использования зачастую громоздких антенно-согласующих устройств (АНСУ).
Когда идет речь о работах в области дифракционных антенных решеток и плоских антенн дифракционного типа, можно говорить о том, что в этом случае занимаются не только разработкой конкретной антенны с заданными параметрами, а занимаются оптимизацией и улучшением разрешающей способности целого класса по определению “выигрышных” антенн в целом.
Применение большинства из полученных (предложенным) нами решений (и большинства из предложенных антенных структур) обеспечит несомненный выигрыш по большинству параметров по сравнению с «традиционными» антеннами и уже только от конкретных задач, которые являются весьма многочисленными специфичными и индивидуальными, зависит какую именно структуру применить.
Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:
1) На основе проведенного анализа определены требования к характеристикам направленности бортовых и наземных антенн средств связи, исходя из условий конкретного применения БЛА. Разработаны методики определения оптимальных ДН;
2) Предложено использование в качестве бортовых антенн средств связи с широкополосными сигналами антенных решеток, с синтезированными ДН. Определены оптимальные значения весовых коэффициентов для случаев управляемых и неуправляемых ДН в режимах приема и передачи. Показана возможность повышения потенциала линии связи и ослабления влияния помех от соседних источников;
3) Предложено использование антенных решеток с синтезированными ДН в наземной аппаратуре средств связи с ШП сигналами. Предложено осуществлять синтезирование их диаграмм направленности при совместном выборе весовых коэффициентов пространственно-частотной обработки и спектрального состава используемых сигналов. Для этих условий показана возможность эффективной селекции излучений от нескольких источников, без ослабления приема полезного сигнала. Также показана возможность повышения потенциала связи;
4) На основании проведенного анализа получены количественные оценки для типичного числа излучателей, типичного числа используемых частотных каналов и размеров и форм БЛА среднего класса. Показано, что использование методов синтезирования ДН бортовых антенн позволяет повысить потенциал связи до 13 дБ для управляемых и до 13 дБ ослабить влияние интерференционных провалов для неуправляемых ДН. А также практически полностью исключить влияние помехи за счет антенного фактора. Использование техники синтезирования ДН антенн наземной аппаратуры позволяет для решеток из 6-12 излучателей и 6-12 частотных каналов повысить потенциал связи до 11 дБ, а также увеличить отношение сигнал/помеха до 18 дБ. Полученные зависимости могут использоваться как рекомендации при проектировании средств связи с ШП сигналами;
5) Выработаны рекомендации по практическому осуществлению процедур оптимизации для бортовых антенн, с учетом влияния объекта установки, и наземных антенн, с учетом взаимной связи излучателей в решетке.
В итоге проведенных разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа получены следующие результаты:
1) Создана библиотека базовых структурных схем плоских дифракционных антенн, в которых реализованы различные режимы их возбуждения поверхностными электромагнитными волнами;
2) Проведено математическое моделирование основных видов плоских дифракционных антенн (исследованы частотные зависимости КСВН, эффективности, диаграммы направленности). Определены предельно достижимые параметры ПДА (эффективность, уровень боковых лепестков, ширина полосы рабочих частот);
3) Проведено экспериментальное исследование разработанного с помощью созданного математического и программного обеспечения САПР линейного возбуждающего устройства на основе желобкового вставного диэлектрического волновода с парными металлическими излучателями, подтвердившее его высокую эффективность;
4) Разработана методика оптимизации продольной зависимости прицельного расстояния с целью максимизации эффективности плоских дифракционных антенн, адекватность и эффективность которой подтверждены в результате натурных экспериментальных исследований;
5) Проведено автоматизированное проектирование, оптимизация параметров, экспериментальные и натурные исследования (в режиме приема программ спутникового телевизионного вещания) плоских дифракционных антенн 3-х сантиметрового диапазона волн. Показано, что реально достичь значений эффективности ПДА, близких 60 %. Подтверждены эффективность и адекватность математических моделей, методов и алгоритмов оптимизации, составляющих математическое обеспечение САПР дифракционных мобильных антенных решеток.
Основными достоинствами плоской антенны являются: компактность, плоская геометрия в сочетании с дистанционным электронным управлением типом поляризации, герметичность конструкции, транспортабельность.
Однако, особенно ярко преимущества управляемых и неуправляемых ПДА раскрываются при использовании их в бортовых системах КВЧ диапазона волн. Отсутствие выступающих элементов делает незаменимыми антенны подобного типа в плане снижения аэродинамических нагрузок летательных аппаратов различного назначения.
Полученные в ходе экспериментальных и натурных испытаний параметры созданных ПДА подтверждают их конкурентоспособность с наиболее часто используемыми апертурными антеннами (параболическими) и высокую актуальность разработки ПДА и соответствующих систем автоматического проектирования ПДА (САПР ПДА).
Использование направленной антенны позволяет увеличить отношения сигнал/шум и увеличить дальность. Эти антенны диапазона 3см, это 10,9-12,5 ГГц, могут быть использованы как для спутниковой связи, так и для связи с БпЛА (хотя в основном для связи с БпЛА используется дециметровый диапазон).
При этом для исследуемых ПДА характерной особенностью является многофункциональность и многозадачность – они могут быть использованы (с обсуждаемыми преимуществами) и для связи с БпЛА и для связи со спутником. То есть и для информационного обмена между наземной станцией комплексов включающих БЛА и спутником, и для непосредственного информационного обмена между БЛА и спутником и, таким образом, решать важную задачу интеграции спутников в комплекс с БЛА).
Подобная концепция многофункциональности, многократного дублирования, является вполне оправданной, когда идет речь о решении критически важных задач, доведении критически важного управляющего сигнала, или критически важной информации.
На Рис. 4.8 главы 4 приведена ПДА с управляемой поляризацией, которая может обеспечить так называемое поляризационное кодирование передаваемого сигнала, что имеет ряд собственных преимуществ, связанных с повышенными помехоустойчивостью, плотностью передаваемой информации и при применении специальных схем именно поляризационного кодирования - повышенной защитой от несанкционированного доступа (расшифровки информации, ее подмены).
Сравнивая характеристики исследуемых ПДА с наиболее распространенными типами антенн, такими, как, например, штыревая антенна, можно говорить о том, что коэффициент усиления у исследуемых ПДА выше до нескольких раз в зависимости от типа антенны выбранной для сравнения. Это является важным преимуществом в связи со следующими соображениями.
Одна из проблем связи с БЛА – ограничение дальности (наличие мультипликативных и аддитивных помех). Дальность можно повысить используя направленную антенну. Повышая коэффициент усиления (КУ) мы повышаем энергетический потенциал системы связи и дальность связи.
Таким образом, высокий коэффициент усиления является одним из значительных преимуществ исследуемых и разрабатываемых ПДА.
Кроме того, несомненным преимущество исследуемых и разрабатываемых ПДА – является то, что они плоские и эргономичные. Отсутствует выступающие элементы, что очень важно, например, на размещении на ЛА и БЛА.
В случае ее размещения на ЛА и БЛА, в зависимости от выбранного диапазона, а именно если в этом диапазоне сложно организовать электромагнитное управление диаграммой направленности, антенну нужно будет механически поворачивать, наводя на НСУ (так как некоторых диапазонах затруднительно э.м. управление ДН – диаграммой направленности).
При этом и проблема организации электромагнитного управления ДН может быть решена. Если перейти в миллиметровый или субмиллиметровый диапазон, то можно заменить конструктивно входящий в структуры антенны диэлектрик ферритом или сегнетоэлектриком и управлять диаграммой направленности электромагнитным (электронным) образом.
Исследуемые ПДА и плоские дифракционные антенные решетки фактически равны по всем свойствам (ДН, КУ…) более громоздким и сложным пространственным структурам с выступающими элементами, занимающими большой объем и т.д. А компактные и эргономичные ПДА являются в электромагнитном смысле фактическим двойником таких менее эргономичных и в разы более крупных по геометрическим параметрам структур.
Отметим, что в работе решается задача повышения разрешающей способности антенных решеток – а это повышение способности аппаратуры по угловым координатам одновременно отслеживать и оценивать параметры нескольких целей.
Например, в случае низкой разрешающей способности мы можем различить “смутное” пятно, а в случае высокой поймем, что это например группа истребителей.
Также, эффективнее может быть решена более актуальная в смысле организации информационного обмена задача: найти объект, чтобы начать с ним информационный обмен.
Плоская антенна, расположенная, например, на крыше автомобиля в нерабочем - сложенном состоянии является малозаметной, далее подняли в рабочее положение, повернули – нашла беспилотник – связь – затем в исходное положение. Но, если сделать маленькой, то можно устанавливать на БпЛА, но ее придется механически поворачивать.
Опираясь на данные таблицы 4.2 главы 4, отметим что у разработанных антенн коэффициент усиления (КУ) в рабочей полосе частот имеет значения 40,7 – 41,3 Дб – это весьма серьезное достижение так как, у штыревой антенны, например, 2 Дб.
Также, преимуществом исследуемых антенн является узкий луч, уровень боковых лепестков (Дб) не более -13 – это действительно узкий луч, что означает во первых: вся энергия излучается в нужном направлении, что в свою очередь означает увеличение дальности, а во вторых за счет низкого уровня боковых лепестков получается сниженная заметность.
Также, следует отметить у исследуемых, моделируемых и разрабатываемых антенн низкий уровень кросс-поляризации в рабочей полосе частот: не более -20 Дб.
С кросс-поляризации выгодно бороться, когда ее уровень низок и -20 Дб – это дейтвительно низкий уровень. Низкий уровень кросс-поляризации выгоден, например, при поляризационном кодировании информации (кросс-поляризация грубо говоря,- это расплывание, изменение, переход из одной поляризации в другую, например, из горизонтальной в вертикальную или наоборот), а при поляризационном кодировании, когда мы кодируем, например, горизонтальной 0, а вертикальной единицу, то смешивание между видами поляризациями (кросс-поляризациями) – нам совершенно не выгодно. О преимуществах же и особых возможностях поляризационного кодирования говорилось выше.
Говоря о преимуществах (по сравнению с другими типами антенн) рассматриваемых структур по отношению к помехам, к РЭБ, шумам, отметим следующее. Эти преимущества определяются уровнем боковых лепестков диаграммы направленности. Таким образом, влияние шумов, помех можно снизить, а устойчивость системы связи к ним повысить, используя неравномерное амплитудное распределение поля в раскрыве антенны.
Также, неоспоримым преимуществом разрабатываемых в работе антенных структур является возможность достижения низких значений коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) = 1. Эта задача легко решается за счет изменения угла между решетками. Улучшение согласования ПДА с питающим трактом возможно без значительного уменьшения ее полной эффективности антенных устройств и возрастания уровня боковых лепестков. Задача же согласования антенны с фидером является одной из самых «болезненных», решается сложно и требует использования зачастую громоздких антенно-согласующих устройств (АНСУ).
Когда идет речь о работах в области дифракционных антенных решеток и плоских антенн дифракционного типа, можно говорить о том, что в этом случае занимаются не только разработкой конкретной антенны с заданными параметрами, а занимаются оптимизацией и улучшением разрешающей способности целого класса по определению “выигрышных” антенн в целом.
Применение большинства из полученных (предложенным) нами решений (и большинства из предложенных антенных структур) обеспечит несомненный выигрыш по большинству параметров по сравнению с «традиционными» антеннами и уже только от конкретных задач, которые являются весьма многочисленными специфичными и индивидуальными, зависит какую именно структуру применить.
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (130194)
- Бакалаврская работа (31261)
- Диссертация (960)
- Магистерская диссертация (18242)
- Дипломные работы, ВКР (53092)
- Главы к дипломным работам (2108)
- Курсовые работы (9668)
- Контрольные работы (6188)
- Отчеты по практике (1308)
- Рефераты (1450)
- Задачи, тесты, ПТК (616)
- Ответы на вопросы (154)
- Статьи, Эссе, Сочинения (911)
- Бизнес-планы (49)
- Презентации (101)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1690)
- Диссертации (РГБ) (1879)
- Прочее (433)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
