Синтез антенных решеток в условиях многолучевого распространения радиоволн

0.1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Развитие мобильных сетей начиналось с предоставления услуг телефонии с использованием аналоговых технологий. В 90-х годах появились цифровые технологии, позволяющие снизить стоимость развертывания сетей и обеспечить лучшее качество связи. Среди них разработанная в Европе технология GSM стала наиболее популярной и была внедрена во многих странах. По мере увеличения популярности Интернета развивались услуги передачи данных, такие как передача сообщений и Web-браузинг, которые реализовывались путем модификации существующей цифровой технологии. Однако скорость передачи данных была недостаточна и ограничена, потому что цифровые сотовые системы были разработаны прежде всего для передачи голоса. Для того чтобы обеспечить лучшее качество голосовых услуг и более высокие скорости передачи данных, были разработаны новые системы мобильной связи — сети третьего поколения [1].

В настоящее время в России, как и во всем мире, продолжается и приобретает все более планомерный характер развитие сетей и систем подвижной радиосвязи (СПР). Это относится как к сетям общего пользования (преимущественно сотовым), так и к профессиональным (ведомственным, внутрипроизводственным, технологическим) транкинговым сетям подвижной радиосвязи. Утверждена «Концепция развития в Российской Федерации транкинговых систем подвижной радиосвязи на период до 2010 года». В ближайшей перспективе ожидается интенсификация внедрения сетей подвижной радиосвязи третьего поколения. Быстро развиваются корпоративные СПР в различных отраслях и секторах экономики, продолжают развиваться и совершенствоваться СПР специального назначения, в том числе с ретрансляторами на низкоорбитальной системе спутников.

Указанные процессы во многом определяют новые дополнительные требования к антеннам (антенным системам) базовых станций (БС), радиоцентров СПР и мобильных станций. С учетом общих тенденций повышения требований к качеству связи в условиях непрерывно усложняющейся электромагнитной обстановки ужесточаются требования к основным параметрам антенн. С другой стороны, массовое использование антенн БС СПР диктует не менее жесткие требования к их техническо-экономическим показателям. Для действующих и перспективных СПР выделены участки радиочастотного спектра в самых различных частях ОВЧ — и УВЧ-диапазонов, что предопределяет относительное разнообразие типов и технических решений применяемых антенн БС СПР [2−4]. Не менее существенным фактором в этом отношении оказываются специфические технические требования, возникающие при построении корпоративных и специальных СПР [6−7], и предполагающих многообразие пространственных, энергетических и поляризационных характеристик антенн.

В зависимости от конкретных требований к конфигурации зоны обслуживания БС, учитывающих, в частности, и факторы электромагнитной совместимости (ЭМС), антенная система должна формировать в горизонтальной плоскости круговую с заданной неравномерностью или секторную с заданной неравномерностью или секторную с заданной шириной главного лепестка диаграмму направленности (ДН). Радиус зоны обслуживания, а так же факторы ЭМС и электромагнитной безопасности определяют требования к коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, ширине ДН в вертикальной плоскости, наклону луча и величине боковых лепестков, выполнение которых в большинстве случаев обеспечивается за счет вертикального развития антенной системы, ее построения в виде линейной вертикальной антенной решетки (АР) и формирования соответствующего амплитудно-фазового распределения. [2].

Изложенные выше наиболее общие принципы построения радиосредств определяют постоянный рост требований, которым должны удовлетворять антенно-фидерные устройства радиосистем. В связи с этим современные радиосистемы, должны обеспечивать не только передачу или прием информации по радиоканалам, но, и в ряде случаев, определение местоположения объекта [8] и его идентификацию. Такое расширение круга задач стимулировало интенсивное развитие антенных систем и, как следствие, проведение исследований по широкому кругу вопросов, связанных с теорией и техникой антенн.

В процессе развития также существенно видоизменяются конструкции используемых антенн. Наряду с проволочными (вибраторными) антеннами, созданными на первых этапах развития, широкое распространение получают апертурные антенны, антенны бегущей волны, фазированные антенные решетки, щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые и другие типы антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние или извлечения данных о положении и движении объекта, антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций, включая пространственную, временную и пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиосистем.

Одной из важных проблем современной радиоэлектроники является одновременное обеспечение требуемых направленных свойств и электромагнитной совместимости радиотехнических систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн. Особую актуальность указанная проблема приобретает в связи с интенсивным развитием систем сотовой мобильной связи и беспроводного доступа в Интернет. В этом случае антенна, предопределяющая в большинстве случаев характеристики радиосистем в целом, будет определять не только зону охвата и доступности индивидуальных пользователей, но и саму возможность бесконфликтного использования систем связи в данном регионе.

Таким образом, наряду с антеннами, представляющими простые взаимные устройства, для решения возникающих задач применяются и антенные системы, являющиеся совокупностью излучателей, обеспечивающие одновременное решение целого ряда задач, направленных на достижение радиосистемой заданных ТТХ. Иными словами, речь идёт о создании многофункциональных антенных систем для базовых станций сотовой связи и радиоцентров СПР. Ещё более высока актуальность применения многофункциональных антенных систем на мобильных станциях спутниковой связи, функционирующих через ретрансляторы, размещённые на системе низкоорбитальных искусственных спутниках земли.

Многофункциональные антенные системы могут выполняться на основе АР с различной геометрией излучающего раскрыва. Особого внимания заслуживают кольцевые, линейные и плоские решетки, т.к. именно они в настоящее время наиболее часто используются в системах подвижной радиосвязи. Такие антенны образуют сложные излучающие структуры, путем изменения параметров которых возможно решение широкого круга задач, связанных с формированием ДН заданной формы, ЭМС различных радиоэлектронных средств и рядом других задач. В частности, одной из таких задач является несомненно радиофизическая проблема учёта многолучевого характера распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересечённой местности. Адекватным решением этой проблемы могло бы стать формирование многолепестковой ДН с независимой регулировкой фаз лепестков. Развитие существующих на сегодняшний день антенн систем мобильной связи неразрывно связано с разработкой различных алгоритмов оперативного управления характеристиками этих систем.

Проведение исследований по различным направлениям теории антенн включает в себя и решение вопросов радиофизики, в частности, оценку влияния электродинамических факторов (в первую очередь, взаимодействия излучателей), учет многолучевого распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересеченной местности на качество управления характеристиками многофункциональной АР. Все это говорит о несомненной актуальности исследования по вопросам теории антенных решеток и их значимость не только для теории и техники антенн, но и в области радиофизики, включая исследование структуры и характера распределения электромагнитного поля, сформированного АР, учет многолучевого характера распространения радиоволн в городских условиях и в условиях пересеченной местности.

0.2 ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ И РАМКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Расширение круга задач, решаемых антеннами в составе радиосистемы и, в частности, в составе станций сотовой и мобильной радиосвязи, требует при исследовании таких антенн широкого использования положений и теории антенн, на основе которого можно сформулировать требования к антенным системам и определить пути их совершенствования. В соответствии с таким подходом проведение исследований может быть сведено к рассмотрению вопросов в следующих областях:

Объект исследования — многофункциональные антенные решетки с различной геометрией излучающего раскрыва.

Предмет исследования — методы параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток и соответствующие им электромагнитные поля.

Научная задача: разработка методов параметрического синтеза управляющих токов в излучателях многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва, обеспечивающих формирование в реальном масштабе времени многолепестковых ДН с произвольными фазами лепестков.

Цель диссертационной работы: создание комплекса новых эффективных и развитие существующих методов и алгоритмов параметрического синтеза АР для расширения функциональных возможностей и улучшения различных характеристик антенных решеток, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Для достижения данной цели предполагается решение следующих задач:

— разработка метода (способа и соответствующего алгоритма) оперативного формирования многолепестковых ДН линейных, кольцевых и плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на матричном методе синтеза;

— разработка аналитического метода (способа и соответствующего алгоритма) формирования двух независимо ориентируемых лепестков в диаграмме направленности линейных и плоских антенных решёток с 9 дискретным фазированием;

— разработка алгоритма оперативного управления комплексными амплитудами токов в каналах плоских многофункциональных антенных решёток, основанного на методе парциальных ДН с использованием функций Котельникова;

— разработка способов независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространенияанализ характеристик разработанных алгоритмов (анализ энергетических характеристик разработанных алгоритмов, оценка их устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, анализ влияния взаимодействия излучателей на точность и эффективность разработанных алгоритмов, анализ диапазонных свойств разработанных алгоритмов).

0.3 НАУЧНАЯ НОВИЗНА, ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, разработанными новыми методами (способами и алгоритмами) оперативного управления характеристиками направленности многофункциональных антенных решеток с различной геометрией излучающего раскрыва и впервые полученными результатами:

— впервые решена задача формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации «распределённого» между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм;

— впервые аналитически решена задача фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа путем суперпозиции двух дискретных фазовых распределений;

— сформулирован в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными весовыми коэффициентами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры. Показано, что алгоритм обеспечивает формирование диаграмм направленности сложной формы, в том числе и многолепестковых;

— предложены новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн;

— представлены впервые полученные оценки характеристик разработанных способов и алгоритмов (энергетических характеристик, диапазонных свойств, устойчивости к ошибкам реализации амплитудно-фазового распределения, влияния электродинамических эффектов) на примере линейных, кольцевых и плоских антенных решеток.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Новый метод формирования нескольких лучей диаграммы направленности на основе максимизации «распределённого» между соответствующими направлениями коэффициента направленного действия, представленного в виде отношения эрмитовых форм, включающий запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения комплексных амплитуд токов в излучателях.

2. Новый метод фазового синтеза двухлепестковой диаграммы направленности фазированной антенной решетки с дискретными фазовращателями бинарного типа, включающий запатентованный способ и соответствующий аналитический алгоритм определения фаз токов в излучателях.

3. Сформулированный в замкнутом виде алгоритм оперативного управления комплексными токами плоской многофункциональной антенной решетки на основе метода парциальных диаграмм, аппроксимируемых функциями Котельникова дискретной апертуры.

4. Новые способы независимого управления фазовыми диаграммами в лепестках многолепестковых ДН, обеспечивающих эффективное сложение сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн.

5. Впервые полученные оценки энергетических и диапазонных характеристик разработанных способов и алгоритмов.

Практическая значимость выполненных исследований состоит в том, что разработанные алгоритмы, а также способы, применяемые при решении задач синтеза, позволяют оперативно управлять параметрами многофункциональных антенных решеток. Результаты решения задач синтеза, приведенные в работе, показали не только возможность формирования многолучевых диаграмм направленности, но и возможности регулировки ширины главного луча и уровня боковых лепестков диаграммы, изменение формы главного луча, формирование нулей диаграммы направленности в направлении помехи, а так же независимое управление фазовыми диаграммами отдельных лучей для синфазного приёма сигналов при многолучевом распространении. Несомненно, что решение задач, приведенных в работе, существенно расширит функциональные возможности антенных решеток с различной геометрией раскрыва. Разработанные алгоритмы и способы, а так же созданный на их основе программно — вычислительный комплекс могут быть использованы для управления многофункциональными АР с различной геометрией раскрыва.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов подтверждается запатентованными методами расчетов, прошедшими государственную экспертизу, полнотой и корректностью постановки задачи, а также путем сравнения с известными результатами, построением синтезированных ДН и сравнением их с заданными ДН.

0.4 АПРОБАЦИЯ, ПУБЛИКАЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с основными направлениями научно-технических исследований по развитию систем радиосвязи с целью расширения функциональных возможностей и улучшения различных характеристик антенных решеток, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 1 статья в журнале «Антенны», 9 в сборниках трудов и тезисов докладов на научных конференциях, а так же в 2 отчетах по НИР. По материалам диссертационных исследований получено два патента РФ, а также подана заявка на предполагаемый патент РФ. Основные научные и практические результаты использованы в научной работе и учебном процессе в РВИ РВ.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Перспективные направления теории и практики построения радиотехнических и оптоэлектронных систем», проходившей в РВИ РВ, 2003 г, на Международных научных конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2003», «Излучение и рассеяние ЭМВ — ИРЭМВ-2005» (г.Таганрог, Россия, 2003 г., 2005 г.), а также на I Межрегиональной научно-практической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2006 г.).

0.5 СТРУКТУРА И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения. Она содержит 159 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 12 таблиц и список использованных источников, включающий 105 наименований.

5.5 ВЫВОДЫ.

1. Процедуру формального синтеза необходимо дополнить этапом реализации, учитывающим электродинамические эффекты в излучающей системе, обусловленные взаимодействием элементов АР. Для этого необходимо рассчитать напряжения, обеспечивающие найденные в процессе процедуры формального синтеза КВК. Неучет взаимной связи излучателей приводит к несоответствию сформированных ДН с заданными (т.е. сформированными с учетом взаимной связи излучателей).

2. При решении задач формального синтеза с использованием матричного метода актуальным становится вопрос устойчивости решения. Оценка устойчивости путем внесения погрешностей в исходные данные, двойного обращения матрицы [5] показала, что полученное решение является устойчивым. Матрица [В] в некоторых случаях имеет достаточно большие значения числа обусловленности con При расчете решеток различной конфигурации сохраняется тенденция увеличения cond[B] с увеличением числа излучателей, однако это явление не сказалось на параметрах сформированных.

ДН.

3. При решении задачи формального синтеза ДН с помощью матричных методов синтеза изменения амплитуд и фаз токов были непрерывны, т. е. рассчитывались без учета дискретизации. Проведена оценка влияния дискретизации фаз и амплитуд токов на форму реализуемых ДН, а также на направленные свойства АР различных конфигураций. В процессе анализа выявлено, что при синтезе многолепестковых АР дискретизация амплитуды оказывает меньшее влияние на форму ДН и направленные свойства АР, чем дискретизация фаз. Характер изменения КНД при дискретизации у линейных, плоских и кольцевых решеток сходен.

4. В процессе анализа выяснено, что кольцевая решетка менее устойчива к неучету взаимного влияния излучателей, внесению погрешностей, а также дискретизации амплитуд и фаз, по сравнению с линейной и плоской АР. Также кольцевая решетка с шагом Л обладает большей устойчивостью по сравнению с кольцевой решеткой, имеющей шаг Л/2.

5. В целом, полученное с помощью матричных методов синтеза решение можно назвать устойчивым, что говорит об эффективности предложенного в главе 3 метода.

6. Разработанные методы синтеза обеспечивают высокую оперативность при расчете управляющих токов в излучателях кольцевых, линейных и плоских АР, возможна их реализация в реальном масштабе времени. Наиболее высокой оперативностью отличается аналитический метод фазового синтеза, однако его возможности и области применения ограничены. Метод парциальных диаграмм обладает большей оперативностью по сравнению с матричным методом, однако область его применения ограничивается линейными и плоскими АР. Матричный метод синтеза также достаточно оперативен и наиболее универсален, т.к. пригоден для использования в решетках любой геометрии.