Введение
Глава 1. Основные понятия теории антенных систем 5
1.1 Основные характеристики антенн 6
1.2 Наведение токов в антеннах 8
1.3 Формирование диаграммы направленности в антенных
системах
11
1.3.1 Линейные решетки с равномерным возбуждением 15
1.3.2 Плоские антенные решетки 17
Глава 2. Селектор антенного канала 21
2.1 Высокочастотный ключ SKY13377-313LF 21
2.2 Печатная плата селектора антенного канала 34
Глава 3. Антенная система 39
3.1 Проектирование приемо-передающих антенн для частоты 960
МГц 39
3.2 Тестирование антенной системы 49
Заключение 56
Список использованных источников 57
Защищенной информацией пользовались еще в средние века, и по сей день ее актуальность только нарастает. Передача информации в подлинном виде до конечного адресата осуществляется путем использования криптографических ключей шифрования. Если время взлома зашифрованных данных превосходит ее актуальность, то такая информация считается защищенной. Взлом или утрата ценной информации может привести к экономическим, политическим и социальным потрясениям.
Существует множество различных способов передачи зашифрованного сообщения между мобильными устройствами. Метод создания ключа шифрования, разрабатываемый на кафедре радиофизики, основан на измерении разности фаз сигналов между приемником и передатчиком. В данной работе рассматривается расчет и создание антенной системы с вращающейся диаграммой направленности (ДН) для увеличения отношения сигнал/шум при формировании ключа шифрования.
Вращение диаграммы направленности может быть осуществлено следующими устройствами: одиночная антенна с механическим вращением, фазированная антенная решетка, система идентичных антенн с фиксированной диаграммой направленности, расположенной по окружности.
Для сигналов, формирующих ключ шифрования, приемником является мобильный терминал (МТ), который случайным образом перемещается в пространстве. Для того чтобы МТ принимал сигнал в любом положении, необходимо вращать диаграмму направленности. Исходя из максимальной скорости перемещения МТ, требуется обеспечить частоту вращения 10 Гц. Вариант одиночной антенны с механическим вращением будет ненадежным и неудобным для применения. Другим способом вращения диаграммы направленности является фазированная антенная решетка. Ее недостатком является сложная структура, состоящая из блока управления.
Учитывая относительно простую структуру и возможность быстрого изменения диаграммы направленности, была выбрана система идентичных антенн, расположенных по окружности радиуса 35 см для удобства монтажа антенной системы. В идеальном случае каждая антенна должна иметь ширину главного лепестка диаграммы направленности 45°, поэтому антенны в количестве восьми штук обеспечат покрытие сигнала.
Целью настоящего исследования является разработка антенной системы с вращающейся диаграммой направленности.
Выполнение данной цели потребовало постановки и реализации следующих задач:
- разработка схемы управления диаграммы направленности;
- разработка (выбор) антенны с лучшими характеристиками для частоты 960 МГц;
- проектирование и построение антенной системы;
- тестирование антенной системы.
В результате проделанной работы спроектирована и реализована схема управления антенной системой. Основным элементом схемы является высокочастотный ключ SKY13377-313LF, с помощью которой проводится коммутация каналов на уровне, требуемой системой. Управление состояниями ВЧ ключей выполняется микроконтроллером Atmel ATSAM3S4C. Конфигурация схемы управления предусматривает подключение до восьми антенн.
Изготовлены 10-элементные приемо-передающие направленные антенны диапазона 960 МГц. Экспериментальным путем получены, на рабочей частоте, такие характеристики антенн как: 1) диаграмма
направленности с шириной главного лепестка - 60° по уровню 0,707; 2) КСВ - 1.157; 3) импеданс антенны - 49,882 Ом; 4) коэффициент усиления - 7,7. На основании полученных данных можно сделать вывод, что реализованные антенны удовлетворяют требованиям, которые были поставлены в рамках проекта.
Заключительным этапом работы стало тестирование в полевых условиях, собранных воедино всех структурных блоков антенной системы. Результаты экспериментов доказали работоспособность системы как в режиме приема, так и в режиме передачи.
В итоге поставленная цель по разработке программно-управляемой антенной системы для диапазона 960 МГц с вращающейся диаграммой направленности была достигнута.
Результаты работы были представлены на итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского федерального университета 2016 и 2017 годов.
