авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Управляемые отражательные антенные решетки с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей

На правах рукописи

ШУРАЛЕВ Максим Олегович

УПРАВЛЯЕМЫЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С

ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ

САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ

НАГРУЖЕННЫХ ДИПОЛЬНЫХ РАССЕИВАТЕЛЕЙ

01.04.03 – радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород – 2011

Работа выполнена на кафедре электродинамики радиофизического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук А.Л. Умнов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Т.М. Заборонкова кандидат физико-математических наук доцент В.А. Яшнов

Ведущая организация: Московский энергетический институт (Технический университет)

Защита состоится «15» июня 2011 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 1, ауд. 420.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан «» _ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Применение антенн с высоким коэффициентом усиления, направлением излучения и приема которых можно управлять электрически, представляется весьма перспективным для использования в современных беспроводных системах связи, поскольку такие антенные системы дают возможность устанавливать связь требуемого качества даже в тех случаях, когда взаимное положение источника и приемника излучения изменяется с течением времени.

Однако, несмотря на это, антенны с управляемыми диаграммами направленности до настоящего времени не нашли широкого применения в беспроводных системах связи, доступных на массовом рынке телекоммуникационного оборудования (в сетях WiFi, WiMax, 3G и т.п.).

Единичные попытки создания таких коммерческих антенных систем [1], в основном, касаются использования антенн с управляемыми диаграммами на стороне базовых станций, в то время как случаи использования подобных антенн на стороне клиентов сетей практически неизвестны.

Главной причиной данной ситуации является значительная стоимость подобных устройств, связанная с высокой ценой СВЧ элементов (фазовращателей, волноводов и т.д.), на которых построено большинство современных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности – фазированных антенных решеток.

Решение задач минимизации числа используемых дорогих СВЧ элементов, уменьшения потерь мощности в волноводах, а также существенного снижения стоимости антенной системы при сохранении преимуществ антенн с электрически управляемой диаграммой направленности возможно в рамках концепции антенной решетки с пространственным питанием ее элементов пассивных рассеивателей с управляемыми параметрами [2]. Изменение параметров рассеивателей возможно, например, за счет управления характеристиками сосредоточенных нагрузок, включаемых в их конструкцию.

Вариация параметров рассеивателей позволяет корректировать фазу и амплитуду переизлучаемых ими полей, что дает возможность формировать нужную диаграмму направленности всей системы рассеивателей. В зависимости от способа формирования диаграммы направленности при отражении первичной волны от массива рассеивателей или при прохождении через него различают отражательные антенные решетки [3-7], линзовые решетки [8] или их комбинации [9].

Характерными особенностями подобных антенн является наличие сильной электродинамической связи между отдельными элементами, их образующими, а также сложный характер связи между параметрами рассеивателя и характеристиками (амплитудой и фазой) переизлученного им поля. Эти особенности затрудняют анализ антенн и требуют создания особых систем управления. Сложность анализа антенных решеток и систем управления многократно возрастает для электрически больших решеток (имеющих высокий коэффициент усиления), поскольку для них необходимо использование большого числа рассеивающих элементов.

Первые антенны подобного типа были предложены более тридцати лет назад [9], однако не получили широкого распространения из-за отмеченных выше характерных особенностей, накладывавших высокие требования на возможности вычислительной техники, которую нужно было использовать как в ходе разработки антенны (для решения задач анализа и синтеза), так и при ее эксплуатации (для управления). Массовое распространение беспроводных систем связи, требующее внедрения антенн с управляемыми диаграммами направленности, а также то обстоятельство, что один из наиболее перспективных подходов к созданию подобных антенн, основанный на использовании систем управляемых рассеивателей [2], позволяет решить эту задачу лишь при условии детального анализа электродинамических характеристик таких систем, делают тему данной диссертации, посвященной выработке общих подходов к их описанию, весьма актуальной. Необходимость такого рассмотрения усиливается тем обстоятельством, что данная область научных исследований лишь относительно недавно получила необходимые для ее эффективного развития технические средства, поэтому получаемые в ходе соответствующих исследований результаты закладывают фактически основу нового научного направления.



Целью диссертационной работы является выработка общих научных подходов к решению задач синтеза конструкции антенной решетки из множества взаимодействующих нагруженных рассеивателей, выбора типа и характеристик рассеивателя, которые должны позволять получать желаемые характеристики и управляемость диаграммы направленности, и демонстрация эффективности этих подходов на примере создания конкретной работоспособной антенной системы.

Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. Разработаны общие подходы к построению управляемых отражательных антенных решеток с высоким коэффициентом усиления на основе самоорганизующихся систем взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей.

2. Создана, исследована и успешно испытана в реальных рабочих условиях управляемая отражательная антенная решетка больших электрических размеров, образованная трехмерным массивом нагруженных варикапами дипольных антенн, работающих в условиях сильной электродинамической связи друг с другом и с облучателем решетки. Единичный элемент решетки конструктивно прост и объединяет в себе функции излучателя и фазовращателя. Трехмерное расположение рассеивающих элементов позволяет добиться необходимого диапазона изменения фазы рассеянной волны при высоком значении амплитуды на апертуре решетки за счет использования рассеивателей, находящихся на разных расстояниях от апертуры.

3. Предложен и реализован метод оптимизации геометрических параметров единичного рассеивателя - элемента антенны, входящего в трехмерную систему взаимодействующих рассеивателей, на основе расчета и контроля интегральных характеристик всей системы (коэффициента усиления, формы диаграммы направленности, диапазона управления лучом диаграммы, широкополосности).

4. Впервые предложен и реализован на практике эффективный метод формирования диаграммы направленности подобной антенны, основанный на решении в реальном времени многомерной оптимизационной задачи по определению необходимых для формирования желаемой диаграммы направленности напряжений смещения на варикапах всех диполей. Метод позволяет производить автоматическую настройку антенной решетки на максимально достижимый для данной конструкции уровень излучаемой и принимаемой мощности в желаемом направлении даже при наличии возмущающих объектов вблизи антенны, неточностей в изготовлении элементов антенны или неисправности части из них. Кроме того, метод позволяет адаптировать диаграмму направленности к присутствию источников помех в реальной обстановке за счет формирования минимумов диаграммы направленности в направлении на эти источники.

Настройка антенной решетки происходит в процессе ее самоорганизации, обеспечиваемой наличием обратной связи между сигналом на выходе решетки и параметрами рассеивателей.

5. Предложен и реализован метод расширения частотного диапазона разрабатываемой антенной решетки на основе комбинации дипольных рассеивателей, размеры и взаимное расположение которых в пространстве оптимизируются исходя из требуемой частотной полосы антенны и равномерности ее характеристик.

Научная и практическая значимость результатов работы. Научная значимость работы состоит в получении результатов, способствующих формированию нового направления – теории антенных систем, построенных на базе массивов управляемых рассеивателей.

Практическая значимость работы состоит в разработке простой по конструкции и имеющей невысокую стоимость антенны сантиметрового диапазона, формой диаграммы направленности которой можно управлять, а также осуществлять сканирование главного лепестка диаграммы в большом диапазоне углов, изменять ширину этого лепестка, формировать минимумы в заданных направлениях.





Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: МТУСИ, СПбГЭТУ, ФНПЦ ННИИРТ, НИФТИ, ФГНУ НИРФИ, ЦНИИС, а также для коммерческих компаний, занимающихся вопросами создания беспроводных систем связи в целях реализации масштабных сетей беспроводной связи среднего и дальнего радиусов действия (по технологиям WiFi, WiMAX, 3G и т.п.).

Методы исследования и достоверность научных результатов.

Достоверность и обоснованность результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных методов численного анализа трехмерных электродинамических структур, таких как метод конечных элементов и метод моментов, а также основанных на них программных комплексов (Ansoft HFSS, FEKO, IE3D), сопоставлением результатов моделирования, полученных с использованием различных программных комплексов, сопоставлением численных и экспериментальных результатов, их согласованностью с результатами других авторов, полученных для частных случаев.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На основе трехмерных электродинамических структур, образованных большим числом дипольных элементов (рассеивателей), нагруженных варикапами и облучаемых единственным активным элементом, могут быть построены антенные решетки с высоким коэффициентом усиления и управляемой диаграммой направленности, отличающиеся от традиционных фазированных антенных решеток существенно более простой конструкцией, пониженным энергопотреблением системы управления, низкими потерями СВЧ мощности и расширенными возможностями по адаптации к окружающим условиям (присутствию возмущающих объектов, выходу из строя части элементов и т.п.) 2. Антенные решетки, построенные на основе массивов управляемых рассеивателей, позволяют обеспечивать широкий диапазон сканирования главного лепестка диаграммы направленности, а также могут быть использованы для создания адаптивных антенн, осуществляющих одновременно усиление полезного сигнала и подавление мешающих сигналов.

3. Использование в антенных решетках комбинаций рассеивателей, настроенных на разные частоты, позволяет обеспечивать работу со сканированием диаграммы направленности в широком частотном диапазоне.

4. Управление параметрами антенных решеток, построенных с использованием массивов управляемых рассеивателей, должно проводиться с учетом их сильного взаимного влияния и может осуществляться с использованием алгоритмов многомерной оптимизации как на стадии проектирования антенны, так и при ее настройке в реальных условиях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях: «Sarnoff Symposium» (Принстон, Нью Джерси, США, 2007 г.), «16th IST Mobile and Wireless Communications Summit» (Будапешт, Венгрия, 2007 г.), «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (Москва, Россия, 2009 г.), «IEEE East West Design & Test Conference» (Одесса, Украина, 2005 г.), VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005» (С. Петербург, Россия, 2005 г.), 9-й, 10-й, 11-й, 12-й, 13-й и 14-й Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007, 2009, гг.), 14-й Научной сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 2009 г.). Материалы диссертации обсуждались на научных семинарах кафедры электродинамики и Лаборатории физических основ и технологий беспроводной связи радиофизического факультета ННГУ, а также мероприятиях Лаборатории Интел (г. Беркли, Калифорния, США). Работа созданной антенны была продемонстрирована в реальных каналах связи в ходе полевых испытаний в г. Н. Новгород (Россия) и г. Беркли (США).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых физических журналах, 4 статьи в сборнике трудов конференций и 15 тезисов докладов (отдельно вынесены в «Список публикаций по теме диссертации»).

Личный вклад автора. В совместных работах автор принимал непосредственное участие в постановке задач, выполнении численных расчетов, проведении лабораторных и полевых экспериментов, и интерпретации их результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, и изложена на 208 страницах, включая рисунки (82 шт.) и таблицы (8 шт.), список литературы (16 стр.), приложение (33 стр.) КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении к работе обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована её цель, дан обзор известных работ по теме диссертации, отмечена научная новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание работы.

Первая глава диссертации состоит из 5 разделов, описывающих концепцию антенны и её численный анализ.

В первом разделе приводится описание конструкции антенны. Антенна (рис. 1) состоит из зеркала (a), образованного управляемыми рассеивателями, и облучателя (b). В качестве управляемых рассеивателей выбраны электрические вибраторы, нагруженные в центре емкостным импедансом, значение которого может изменяться. Вариация импеданса нагрузки позволяет настраивать фазу рассеянной вибратором волны. Одновременно с этим изменяется и амплитуда рассеянного поля. Предлагаемая конструкция антенны (при которой рассеиватели размещаются в пространстве, а не на плоскости) позволяет произвольным образом изменять взаимное расположение рассеивателей, что расширяет возможности по оптимизации ее структуры для получения тех или иных характеристик.

Во втором разделе первой главы на основе численного анализа поведения системы, состоящей из взаимодействующих рассеивателей, показана необходимость использования процессов самоорганизации для настройки антенной решетки, образованной большим массивом рассеивателей. В разделе приведены сравнительные диаграммы, демонстрирующие характер взаимного влияния элементов решетки друг на друга, рис. а также приведено обоснование того, что основное влияние на работу каждого рассеивателя, образующего зеркало, оказывают его непосредственные соседи, и близкие рассеиватели в зеркале имеют близкие значения импедансов нагрузок, что необходимо для обеспечения непрерывности изменения фаз токов в рассеивателях вдоль зеркала.

В третьем разделе первой главы приведены методика и результаты численного исследования геометрических параметров рассеивателей, определены оптимальные размеры, обеспечивающие максимальный диапазон перестройки фазы при минимальных вариациях амплитуды переизлучаемого рассеивателями поля (рис. 2, - фаза переизлученного рассеивателями поля, А - амплитуда переизлученного рассеивателями поля, С - емкость диодов).

В четвертом разделе первой главы описан подход к численному определению оптимальной плотности расположения элементов в решетке (рис. 3), численные результаты подтверждены экспериментальными данными, сделан вывод о том, что при высокой плотности элементов ошибки в установке фазового сдвига (из-за недостаточного диапазона перестройки фазы переизлученного рассеивателями поля) компенсируются большей амплитудой переизлученного поля, а при больших расстояниях между рассеивателями поле с меньшей амплитудой имеет более точную фазу (из-за расширения диапазона рис. перестройки фазы переизлученного рассеивателями поля), что максимизирует, в конечном счете, коэффициент усиления (КУ).

В данном разделе также описана методика расширения диапазона перестройки фазы переизлученного поля, основанная на использовании многослойной структуры рядов антенной решетки (рис. 4). Установка на диодах рассеивателей первого слоя напряжений смещения, соответствующих минимуму переизлученной амплитуды, приводит к тому, что волна распространяется до следующего слоя, переотражается от него со сдвигами фазы, соответствующими установленным на элементах второго слоя управляющим сигналам, и распространяется обратно. Таким образом, к фазовому сдвигу, вносимому рассеивателями, добавляется сдвиг, соответствующий двойному расстоянию между слоями.

рис. рис. В пятом разделе первой главы сформулированы результаты и сделаны выводы по первой главе.

Вторая глава диссертации состоит из 5 разделов, описывающих лабораторную модель антенны, экспериментальную установку и методы измерений. В первом разделе второй главы приводится описание лабораторной модели антенны (рис. 5), её конструкции и экспериментальной установки, располагавшейся в безэховой антенной камере и включавшей помимо прототипа антенны, сетевой анализатор, систему управления и вычислительное устройство с выполнявшемся на нем оптимизационным алгоритмом.

Во втором разделе второй главы детально рассмотрены конструкция и принцип работы системы управления антенны. Сигнал с модуляцией (или широтно-импульсной модуляцией) от цифрового блока формирования управляющего сигнала, построенного с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) проходит через фильтр низкой частоты (RC-фильтр) к операционным рис. усилителям, где соответствующим образом усиливается в диапазоне от 0 В до 15 В. Система управления для полноразмерной антенны состоит из 5 плат управления. Каждая плата содержит 1 кристалл ПЛИС с 1 встроенным модулем программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ, PROM), тактовый генератор, 100 RC-цепочек и 25 четырехканальных операционных усилителей. Полная мощность, потребляемая пятью платами системы управления (частота ПЛИС 50 МГц), составляет 7,7 Вт, при этом устройство связи, к которому подключается антенна, потребляет дополнительно 6 Вт.

Исследования на устойчивость системы показали, что даже при 10% неисправных рассеивателях/каналах (50 штук от общего количества) коэффициент усиления антенны уменьшается менее чем на 1 дБ. Описана система команд для управления распределениями напряжений смещения на варикапах.

В третьем разделе второй главы описана методика и подходы к оптимизации распределения напряжений по элементам антенны.

Оптимизационная задача разделена на две стадии: обучение и реальная работа.

Обучение может быть выполнено в антенной камере для получения диаграммы направленности в фиксированном направлении с использованием гармонического сигнала, тогда как оптимизация в режиме реальной работы должна выполняться во время передачи данных, а результаты обучения могут быть использованы в качестве начальных точек (начальных распределений). По результатам исследования статистических характеристик сигналов (шумов) и исследования поведения выбранных алгоритмов оптимизации с этими сигналами был сделан вывод о том, что генетический алгоритм наилучшим образом подходит как для обучения, так и для режима реальной работы стохастических систем с большим числом параметров и исследуемой антенны в частности.

В четвертом разделе второй главы описаны экспериментальная установка и методика измерения амплитудно-фазовых характеристик рассеивателей и параметров антенны.

В пятом разделе второй главы сформулированы результаты и сделаны выводы по второй главе.

Третья глава состоит из 5 разделов, описывающих экспериментальное исследование антенны, в том числе, её полевые испытания. В первом разделе третьей главы приведены результаты измерения амплитудно-фазовых характеристик рассеивателей, которые оказались близки по характеру поведения, диапазону перестройки фазы и вариациям амплитуды к рассчитанным. Приведены результаты трех серий экспериментов по настройке конструкции антенны, были определены оптимальные (с точки зрения максимального коэффициента усиления антенны) расстояния между рассеивателями в слое и между слоями рассеивателей в одном ряду. В результате третьей серии экспериментов было установлено максимальное значение коэффициента усиления антенны для пяти рядов рассеивателей 21,5 дБи, и что, увеличение числа рядов (расстояние между центрами рядов составляло 15 см, что больше длины волны на 20%) и, как следствие, площади антенны в пять раз соответствует повышению уровня коэффициента усиления также в пять раз (~7 дБ), то есть добавление рядов не вносит значительного дополнительного взаимного влияния между элементами, искажающего их амплитудно-фазовые характеристики.

Во втором разделе третьей главы приводятся результаты исследования процессов самоорганизации антенной решетки при формировании диаграммы направленности. Представлены результаты составления таблицы распределений управляющих напряжений, соответствующих различным направлениям главного лепестка диаграммы направленности и обеспечивающих максимальный коэффициент усиления в данных направлениях. Приведены диаграммы направленности антенны (рис. 6) при настройке ее в различных азимутальных направлениях (±60° с шагом 10°) при значениях угла места -10°, 0° и +10°, достигнутые характеристики антенной решетки: максимальный КУ 21,5 дБи, управление диаграммой направленности в азимутальной плоскости от рис. -60° до +60° и по углу места -15° до +15°.

В третьем разделе третьей главы описаны результаты экспериментов по одновременному формированию максимумов и минимумов диаграммы в заданных направлениях “полезного” сигнала и “помехи” (рис. 7). При удовлетворительном значении коэффициента усиления в направлении источника “полезного” сигнала (порядка 18-21 дБи), уровень сигнала “помехи” составлял около -20 дБи.

В четвертом разделе третьей главы приводятся результаты полевых испытаний антенны внутри города на крышах и верхних этажах офисных и жилых зданий, а также результаты установления связи между несколькими точками на расстоянии до 7 км в двух городах, разделенных рекой (рис. 8).

Пропускная способность канала связи на основе антенны составила от 6,17 Мбит/с до 7,53 Мбит/с (6,85 Мбит/с ±10%), что сопоставимо с результатами измерений, рис. 7 проводившихся в подобных условиях с использованием стандартных средств беспроводной связи без возможности управления главным лепестком диаграммы направленности.

В пятом разделе третьей главы сформулированы результаты и сделаны выводы по третьей главе.

Четвертая глава состоит из четырех разделов, описывающих возможные модификации антенной решетки и применение разработанных методик управления излучением.

рис. В первом разделе четвертой главы описана модификация решетки, позволяющая расширить рабочую полосу частот антенной системы. Модификация основана на использовании в решетке рассеивателей, двух типов, настроенных на разные частоты внутри требуемой полосы пропускания антенной системы (рис. 9). Показано, что применение использовавшихся ранее рассеивателей с шириной полосы 50 МГц по уровню -1 дБ, масштабированных для двух центральных частот 2,42 ГГц и 2,62 ГГц, приводит к тому, что ширина полосы модифицированной антенны расширяется до 200 МГц (на уровне КУ равном 20 дБи).

Во втором разделе четвертой главы описана приставка для стандартной параболической антенны (рис. 10), которая крепится к облучателю этой антенны. Приставка состоит из 13 рассеивателей, использовавшихся в описанной ранее антенной решетке. Такая модернизация стандартной параболической антенны приводит к тому, что её диаграммой направленности можно управлять в диапазоне ±10°, при этом максимальный коэффициент усиления уменьшается примерно на 2 дБ, но в направлениях максимального отклонения ±10° коэффициент усиления антенны приобретает значения, на 6 дБ превышающие коэффициент усиления неуправляемой антенны в данных направлениях. Применение модифицированного облучателя оправдано в случаях, когда необходимо обеспечить недорогой способ управления диаграммой направленности параболической антенны в диапазоне не более 20°.

рис. В третьем разделе четвертой главы описано использование разработанной отражательной антенной решетки в режиме работы «на просвет», т.е. в режиме линзы.

Продемонстрирована возмож ность управления диаграммой направленности данной антенны.

Показана необходимость модификации расположения рассеивателей для эффективного рис. 10 управления диаграммой направленности при высоком коэффициенте усиления.

В четвертом разделе сформулированы выводы к данной главе.

В конце диссертации помещено Заключение, в котором сформулированы результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Разработаны общие принципы построения отражательных антенных решеток на базе многоэлементных трехмерных массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей.

2. Предложено использование процессов самоорганизации для формирования диаграммы направленности подобных антенных решеток.

3. Проведено численное моделирование и оптимизация параметров предложенных антенных решеток. Найдены квазиоптимальные геометрические размеры рассеивателей, образующих антенную решетку, позволяющие получать высокие коэффициенты усиления антенной решетки при широких возможностях управления диаграммой направленности.

4. Создана и экспериментально исследована лабораторная модель отражательной антенной решетки, предназначенной для работы в диапазоне частот 2,4 ГГц. Достигнут коэффициент усиления антенной решетки более 21 дБи при размерах антенной решетки 60 см х 100 см.

Получена перестройка главного лепестка диаграммы направленности от -60° до +60° в азимутальной плоскости и от -15° до +15° по углу места.

5. Экспериментально продемонстрированы и исследованы процессы формирования диаграммы направленности предложенной антенной решетки за счет ее самоорганизации. Продемонстрированы возможности адаптации диаграммы направленности антенной решетки к наличию источников помех. Экспериментально получена разность до 40 дБ между полезным и помеховым сигналами от одинаковых источников.

6. Показана возможность расширения рабочей полосы частот антенной решетки на основе использования в решетке рассеивателей различных типов. Для лабораторной модели антенны диапазона 2,4 ГГц получена рабочая полоса частот в 200 МГц.

7. На основе массивов пассивных управляемых рассеивателей разработана приставка для стандартной параболической антенны, позволяющая управлять диаграммой направленности в азимутальной плоскости от -10° до +10° с коэффициентом усиления в направлениях максимального отклонения на 6 дБ выше, чем для неуправляемой антенны.

8. Реализованы беспроводные каналы связи по WiFi технологии с использованием в одной точке разработанной антенны и стандартных параболических антенн (с коэффициентом усиления 24 дБи) в других точках. Каналы связи реализованы внутри города и между городами, разделенными рекой на расстояниях до 7 км, на максимальном расстоянии продемонстрирована пропускная способность канала связи в 6,85 Мбит/с при использовании стандартного беспроводного оборудования (мощность 6 мВт, чувствительность приемника -72 дБм).

Показана возможность переключения с помощью антенны между несколькими точками связи.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мэинваринг А., Умнов А.Л., Шуралев М.О., Ельцов А.Ю. Управляемая отражательная антенная решетка на основе нагруженных дипольных рассеивателей // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 8. С. 504 – 518.

2. Mainwaring A., Умнов А.Л., Шуралев М.О., Ельцов А.Ю. Управляемая отражательная антенная решетка, образованная нагруженными электрическими диполями // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 4. С. 68 – 75.

3. Shuralev M.O., Umnov A.L., Mainwaring A., Sokolov M.A., Eltsov A.U.

Experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna dipole array // PIERS Online. 2009. V. 5, No. 7. P. 657 – 662.

4. Мордвинов Д.К., Рагозин Д.В., Соколов М.А., Шуралев М.О. Разработка аппаратного CIL(.NET) процессора с низким энергопотреблением // Труды 9-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород:

ННГУ, 2005. С. 310 – 312.

5. Молков Н.П., Соколов М.А., Ушаков Ю.В., Шуралев М.О.

Многопроцессорная система реального времени обработки сигналов // Труды 9-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород:

ТАЛАМ, 2005. С. 350 – 352.

6. Мордвинов Д.К., Рагозин Д.В., Соколов М.А., Шуралев М.О.

Моделирование аппаратного CIL (.NET) процессора на FPGA VIRTEX-4 // Труды VI Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2005». С.-Петербург, 2005. С. 315 – 320.

7. Ragozin D.V., Shuralev M.O., Sokolov M.A., Mordvinov D.K. DSP core for hardware based CIL machine // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Conference. Odessa, 2005. P. 131 – 136.

8. Умнов А.Л., Шуралев М.О. Моделирование антенны с пассивными рассеивателями в среде HFSS // Труды 10-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ННГУ, 2006. С. 83 – 85.

9. Ильина Д.А., Умнов А.Л., Филимонов В.А., Шуралев М.О.

Экспериментальное исследование антенны, построенной на основе зеркала с управляемым импедансом // Труды 11-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2007. С. 239 – 241.

10. Shuralev M.O., Sokolov M.A., Umnov A.L. Low-cost adaptive Wi-Fi antenna for long-distance communications // Труды 11-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 2007. С. 259 – 260.

11. Filimonov V., Mainwaring A., Shishalov I., Shuralev M.O., Umnov A.

Adaptive reactance parasitic antenna array // Proceedings of Sarnoff Symposium. Nassau Inn in Princeton (USA), 2007. P. 1 – 5.

12. Filimonov V., Mainwaring A., Shishalov I., Shuralev M.O., Umnov A.

Theoretical and experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna array // Proceedings of the 16th IST Mobile and Wireless Communications Summit. Budapest (Hungary), 2007. P. 1 – 4.

13. Ельцов А.Ю., Соколов М.А., Шуралев М.О. Модификация канального уровня сетей 812.11 для адаптивных антенн // Труды 12-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2008. С. 278 – 280.

14. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю.

Экспериментальное и теоретическое исследование амплитудно-фазовых характеристик пассивных рассеивателей адаптивной антенны // Труды 13 й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 239 – 241.

15. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю. Исследование зеркальной адаптивной антенны с большим коэффициентом усиления, построенной на основе пассивных рассеивателей // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 237 – 239.

16. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю. Антенна с управляемой диаграммой направленности на основе зеркала, сформированного системой дипольных рассеивателей // 14-ая Научная сессия молодых ученых: тез. докл. Нижний Новгород, 2009.

17. A.U. Eltsov, Shuralev M.O., Sokolov M.A., Umnov A.L. Adaptive antenna scatterer characteristics improving // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 260 – 262.

18. Ельцов А.Ю., Соколов М.А., Шуралев М.О. Применение эволюционных алгоритмов оптимизации в адаптивных антенных решетках на основе пассивных рассеивателей // Труды 13-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2009. С. 9 – 10.

19. Shuralev M.O., Umnov A.L., Mainwaring A., Sokolov M.A., Eltsov A.U.

Experimental investigations of adaptive reactance parasitic antenna dipole array // Proceedings of the Progress in Electromagnetic Research Symposium.

Moscow, 2009. P. 175 – 180.

20. Шуралев М.О., Умнов А.Л., Соколов М.А., Ельцов А.Ю.

Экспериментальное исследование реального канала связи, построенного на базе адаптивной антенны с пассивными рассеивателями // Труды 14-й Научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород: ННГУ, 2010.

С. 290 – 291.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ В

АВТОРЕФЕРАТ

Е ЛИТЕРАТУРЫ [1] Casas E., Tong Chia, da Silva M., Hujun Yin, Yang-Seok Choi // Proceedings of IEEE 58th Vehicular Technology Conference, 6--9 Oct. 2003, Spokane, WA, USA, V. 5, P. [2] Thiel D.V., Smith S. Switched Parasitic Antennas for Cellular Communications. Norwood, MA, USA: Artech House, Inc., 2002. 254 p.

[3] Huang J., Encinar J.A. Reflectarray Antennas. Wiley Interscience - IEEE Press, 2007. 216 p.

[4] Parnes M.D., Vendik O.G., Korolkov V.D. // PIERS Online. 2006. V. 2, № 2.

P. [5] Е.А. Шорохова, В.А. Яшнов Дифракция электромагнитных волн на анизотропной цилиндрической неоднородности в плоском волноводе // Изв. вузов. Радиофизика. 2005.Т. XLVIII. № 7. C. 605-615.

[6] Кашин А.В., Умнов А.Л., Яшнов В.А. Рассечние радиоволн антенными решетками вибраторных антенн с нелинейными управляемыми элементами //Сборник 6-й Нижегородской научной конференции по радиофизике, 2002г.

[7] А.А. Горбачев, Т.М. Заборонкова Рассеяние радиоволн на нелинейных антенных вибраторных системах // Радиотехника. 1998. Т. 10. С. 89.

[8] Авдеев С. М., Бей Н. А., Морозов А. Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. М.: Радио и связь, 1987.

126 c.

[9] Harrington R. F., Mautz J. R. Reactively loaded directive arrays. Office of Naval Research and Syracuse University, 1974.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Введение Глава 1. Анализ возможности использования электрически больших массивов взаимодействующих нагруженных дипольных рассеивателей для создания управляемых отражательных решеток с высоким коэффициентом усиления.

1.1 Архитектура исследуемой антенной решетки и основные принципы ее работы.

1.2 Численные эксперименты по обоснованию концепции построения антенной решетки, образованной массивами взаимодействующих рассеивателей, как самоорганизующейся системы.

1.3 Численное моделирование электродинамики антенной решетки и оптимизация параметров образующих ее рассеивателей с учетом их взаимного влияния.

1.4 Результаты численного анализа: характеристики оптимизированной антенной решетки.

1.5 Выводы.

Глава 2. Лабораторная модель антенной решетки.

2.1 Конструкция зеркала антенны.

2.2 Система управления антенной решеткой.

2.2.1 Требования к системе управления.

2.2.2 Аппаратная реализация.

2.2.3 Схема системы управления.

2.2.4 Реализация ЦАП.

2.2.5 RC – фильтры.

2.2.6 Устойчивость системы управления.

2.2.7 Энергопотребление.

2.2.8 Последовательный периферийный интерфейс.

2.3 Использование методов многомерной оптимизации для формирования диаграммы направленности и управления ее параметрами в процессе эволюционной самоорганизации антенной решетки.

2.3.1 Постановка оптимизационной задачи.

2.3.2 Режим обучения.

2.3.2.1 Описание задачи оптимизации в режиме обучения 2.3.2.2 Алгоритмы оптимизации.

2.3.2.3 Метрики оптимизации.

2.3.2.4 Экспериментальная установка и результаты.

2.3.3 Режим реальной работы.

2.3.3.1 Описание задачи оптимизации в режиме реальной работы.

2.3.3.2 Флуктуации мощности принимаемого сигнала.

2.3.3.3 Алгоритмы и метрики.

2.3.3.4 Экспериментальная установка и результаты.

2.4 Экспериментальная установка и методы измерения параметров решетки.

2.5 Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование антенной решетки.

3.1 Исследование характеристик рассеивателей, работающих в условиях взаимного влияния. Экспериментальная настройка пространственной структуры антенной решетки.

3.2 Управление диаграммой направленности антенной решетки на основе данных, полученных в ходе самонастройки антенной решетки на различные направления приема/передачи излучения.

Достигнутые характеристики антенной решетки.

3.3 Работа антенной решетки в режиме адаптации к наличию источников помех.

3.4 Полевые испытания антенной решетки в реальных каналах связи.

3.5 Выводы.

Глава 4. Модификации антенной решетки.

4.1 Расширение частотной полосы антенной решетки 4.2 Модификация параметров излучателя параболической антенны с помощью массивов дипольных рассеивателей 4.3 Работа антенной решетки "на просвет" в режиме линзы 4.4 Выводы.

Заключение.

Список цитированной литературы.

Список работ по диссертации.

Приложение. Метод конечных элементов.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.