Диссертация (Антенны и экраны для высокоточного спутникового позиционирования), страница 5

1.13. Частотные характеристики37Нарис.1.13направленности,приведенычастотныезависимостидиаграммыотношения низ/верх и коэффициента отражения приширине волновода a  0.50 и распределении импеданса на рис 1.10, вкотором учтена частотная зависимость f 0 f емкостного импеданса. Кривые1…5 соответствуют полосе частот f f 0  0.9...1.1 . Из графиков видно, чтополоса частот, в которой отношение низ верх не хуже -20дБ в области угловот 10 градусов составляет порядка 10%. Коэффициент отражения при этомR 5 103 .1.2.Четырехзаходная спиральная антенна с реактивными элементами1.2.1. Структура антенныДля практической реализации антенны бегущей волны с укореннойволной, работающей по принципу, показанному в п.

1.1.1-1.1.2., былавыбрана четырехзаходная спиральная антенна с реактивным импедансомвитков. Структура антенны была синтезирована с помощь пакета программCST. При выборе прототипа учитывалось, что для задач высокоточногопозиционирования требуется антенна круговой поляризации с высокойстепенью азимутальной симметрии. На рис. 1.14. представлен эскизэкспериментального макета такой антенны, расположенной над экраном.Экспериментальный макет состоит из цилиндрической левовинтовойчетырехзаходнойкомпонентами3,спирали1свпаяннымиобеспечивающимивнеобходимыйразрезынавеснымиимпедансвитков,круглого проводящего экрана 2 и квадратурной схемы возбуждения 5. Квыходу квадратурной схемы 5 возбуждения подключен малошумящийусилитель 4.

Спиральный элемент представляет собой скрученную в виде38цилиндрическойтрубкитонкуюпечатнуюплату.ВысотаспиралиH  285мм , диаметр экрана D  300мм .HDРис. 1.14. Эскиз экспериментального макетаНа рис. 1.15 показаны фотографии спирального элемента с впаяннымив разрезы навесными компонентами. На рис. 1.16 показаны фотографиинижней стороны экрана, где видны схема деления мощности и усилитель.39312Рис.

1.15. Фотографии экспериментального макетаПри оптимизации параметров конструкции в качестве параметровоценкидиаграммынаправленностивыбранымаксимальное значениеотношения низ/верх по полной мощности в секторе углов возвышения надгоризонтом 10-90 градусов - max  DU (10  90)  , характеризующее крутизнуспада ДН в нижней полусфере, а также значение ДН по полной мощностипри угле возвышения над горизонтом 80 градусов F (80) , характеризующеестепень обужения ДН в верхней полусфере. Также учитывалось, что рабочейполосой сигнала L1 GNSS является 1550…1630МГц.4045Рис.

1.16. Фотографии схемы деления мощности411.2.2. Результаты экспериментальных исследованийНа рис. 1.17-1.21 приведены диаграммы направленности для двухлинейно поляризованных компонент ( F - сплошная линия, F - штриховаялиния) и отношение низ/верх по полной мощности в полосе частотf  1550  1630МГц , измеренные в безэховой камере.F , дБF , дБ ,градусыD U , дБ ,градусыРис. 1.17.

Экспериментальные характеристики антенны при f  1550МГц42F , дБF , дБ ,градусыD U , дБ ,градусыРис. 1.18. Экспериментальные характеристики антенны при f  1570МГц43F , дБF , дБ ,градусыD U , дБ ,градусыРис. 1.19. Экспериментальные характеристики антенны при f  1590МГц44F , дБF , дБ ,градусыD U , дБ ,градусыРис. 1.20. Экспериментальные характеристики антенны при f  1610МГц45F , дБF , дБ ,градусыD U , дБ ,градусыРис.

1.21. Экспериментальные характеристики антенны при f  1630МГц46Как видно из рис. 1.17-1.21, данная спиральная антенна позволяетполучить отношение низ/верх DU  20дБ , начиная от 10 градусов, в полосечастот f  1550  1630МГц .На рис.1.22 приведена измеренная частотная зависимость активной иреактивной части входного сопротивления Z вх одного витка спирали вполосе частот f  1100  1700МГц .Re( Z вх ),ОмIm( Z вх ),Омf , МГцРис. 1.22.

Частотная зависимость входного сопротивления витка спиралиИз графика рис 1.22 видно, что в рабочей полосе f  1550  1630 МГцактивнаясоставляющаявходногосопротивлениясоставляетпорядкаRe( Zвх )  100Ом , а реактивная составляющая - Im( Z вх )  70Ом . Такиевеличины не являются препятствием для достижения хорошего согласованияантенны со входами системы деления мощности.471.2.3.

РезультатыполевыхиспытанийвсоставеаппаратурыпозиционированияДлясравнениядостижимойточностипозиционированиявдифференциальном режиме в реальном времени двух спиральных антенн идвух стандартных антенн типа choke ring [2-4,6] были проведены полевыеиспытания на полигоне. Измерения проводились в одночастотном режиме.База векторов между двумя спиралями и двумя антеннами типа choke ringсоставляет порядка 150м.На рис. 1.23 показана одна из двух одинаковых спиральных антенн,установленных на измерительных позициях испытательного полигона.Антенна имеет выход 1, который соединен с помощью коаксиального кабеля2 со входом 3 геодезического приемника 4 типа Topcon NET-G3A.

Приемникподключенк аккумулятору 5с помощью проводов 6. Приемникосуществляет запись позиции с интервалом времени в 1 секунду.На рис. 1.24, для примера, также показана одна из двух антенн типаchoke ring, установленных на измерительных позициях испытательногополигона.Для сравнения на рис. 1.25 для антенны типа choke ring приведеныдиаграммы направленности ( F - сплошная линия, F - штриховая линия) иотношение низ/верх по полной мощности на частоте f  1570МГц , взятые из[2]. Из рис. 1.25 видно, что отношение низ/верх для антенны choke ringдостигает значения -20дБ только под углом 30 градусов, таким образом,стандартная антенна базовой станции обладает худшими по сравнению соспиралью свойствами подавления многолучевости под низкими углами.483261425Рис. 1.23.

Спиральная антенна на позиции испытательного полигона49Рис. 1.24. Антенна типа choke ring на позиции испытательного полигонаНа рис. 1.26а,б представлены характеристики отношения сигнал/шумспутника GPS24 для антенны типа choke ring и спирали соответственно, нарис.

1.26в – зависимость угла возвышения этого спутника над горизонтом отвремени. По горизонтальной оси на всех графиках отложено время в часах.Из сравнения рис. 1.26а,б видно, что характеристика отношения сигнал/шумдля антенны типа choke ring при углах возвышения меньше 30 градусовимеетярковыраженныеосцилляциипорядка7дБ,связанныесинтерференцией прямого сигнала спутника и сигнала, отраженного отповерхности земли. В то же время, у спиральной антенны эти осцилляциивыражены значительно слабее.50F , дБF , дБ ,градусыD U , дБ ,градусыРис. 1.25. Характеристики антенны типа choke ringНарис.1.27а,бприведенырезультатывычисленияошибкипозиционирования в режиме реального времени для двух антенн типа chokering и двух спиральных антенн соответственно.

Время измерений составляет2 часа. Период записи приемников составляет 1 секунду. Толстой линиейобозначено плавающее среднее с окном 100 секунд, чтобы выделить общийтренд ошибки позиционирования на фоне тепловых шумов аппаратуры. Дляслучая антенны типа choke ring, сглаженная кривая имеет характерныйпериод ошибки многолучевости на открытой местности порядка 10-15 минут[2].51SNR, дБ*Гца)Время, часыб)Время, часыSNR, дБ*ГцУголвозвышенияспутника ,градусыв)Время, часыРис. 1.26. Зависимость отношения сигнал/шум от угла возвышения спутника52,ммВремя, часыa),ммВремя, часыб)Рис.

1.27. Ошибка позиционирования в режиме реального времениИз сравнения рис. 1.27а,б видно, что при сглаженном тепловом шумепара спираль-спираль обеспечивает точность позиционирования (имеетсяввиду разница между минимальным и максимальным значением сглаженнойкривой), не выходящую за пределы 1.75мм , в то время как пара антеннтипа choke ring обеспечивает точность 4.4мм , что наглядно показываетвыигрыш за счет подавления многолучевости под скользящими углами длядвух спиралей. Среднеквадратическое отклонение сглаженной кривойзависимости ошибки позиционирования от времени для спиральных антенн53составляет 0.63мм. Ошибка многолучевости для двух антенн типа choke ringсоизмерима с фазовым шумом, вследствие чего сглаживание фазового шумане применяется в реальных системах.

А для спиральных антенн ошибкамноголучевости существенно меньше фазового шума, что позволяетсущественно повысить точность позиционирования за при сглаживаниибыстро осциллирующего фазового шума. Возможности достижения такихсубмиллиметровых ошибок многолучевости с помощью относительнокомпактных антенн в литературе ранее не публиковались.

Такой режимобработки представляет интерес для практики.1.3.Выводы1. Разработана математическая модель антенны бегущей волны в видеплоскопараллельноговолноводасполупрозрачнымистенками,возбуждаемого Т-волной.2. Показано, что для такого волновода можно получить отношениениз/верх от -20дБ до -35дБ начиная от 10 градусов от направления,касательного раскрыву. Длина полупрозрачной части волновода приэтом составляет порядка 1.5 .3. Показано, что полоса частот, в которой отношение низ/верх не хуже 20дБ начиная от 10 градусов от направления, касательного раскрыву,составляет порядка 10% и коэффициент отражения при этом составляетпорядка 5 103 .4.

Разработана четырехзаходная спиральная антенна, в проводникикоторой включены реактивные элементы.5. Экспериментально показано, что такая спиральная антенна имеет ДН вверхней (рабочей) полусфере, близкую к равномерной и отношение54низ/верх не хуже -20дБ начиная от углов в 10 градусов от направленияна горизонт.6.

С помощью такой антенны получена среднеквадратичная ошибкапозиционированияпосигналамГНССвреальномвремени,составляющая 0.63мм (с учетом сглаживания тепловых шумов за времяпорядка 1 минуты).55ГЛАВА 2. Вертикальные экраны в виде ребер с полупрозрачнымиокончаниями для антенн позиционирования2.1.Возбуждениеполуплоскостисполупрозрачнымокончаниемслабонаправленным источникомРассмотримзадачудифракцииисточникаH-поляризациинаполуплоскости с полупрозрачным окончанием (рис. 2.1). Введем системукоординат, показанную на рисунке. На расстоянии от источника a 2 по осиx расположена полуплоскость протяженная по оси z от 0 до  .

Уголнаблюдения  отсчитывается от оси z в направлении оси x .zyHj ym 0xZ L ( z)a 2hLРис. 2.1. Геометрия модели полуплоскостиПредполагается,чтоисточникобладаетнаправленностьюпоотношению к оси z так, что в области    / 2 ДН источника близка кравномерной,авобласти / 2  излучениеподавлено.Это56соответствует типичным ДН антенн позиционирования. Следуя подходустатьи [45], будем моделировать такой источник в виде двух нитеймагнитного тока, расстояние между которыми равно H и разностьначальных фаз нитей магнитного тока выбрана таким образом, чтобыобеспечить нуль ДН в направлении    .