Диссертация (1137272), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Такиеантенны в вертикальной плоскости являются синфазными линейками излучателей [85, с.65-67]. Их ДН в вертикальной плоскости определяется формулойNsin (kd cos θ ) 2,FΣ (θ , φ ) = AF1 (θ , φ )1sin (kd cos θ ) 2(3.1)где А – нормирующий максимум выражения к 1, коэффициент;N – число излучателей в вертикальной линейки;d – расстояние между соседними излучателями в линейке;F1 ( θ , ϕ )– ДН одиночного излучателя.Рисунок 3.1 – Координаты абонентаНа рисунке 3.1 показаны координаты абонента в системе координат, связанной с передающей антенной.Плотность мощности прямой волны, создаваемая передающей антеннойвблизи от абонента, без учета влияния формы поверхности подстилающейтрассы и отраженных от нее волн, равна (при R, r > H)104N(kd cosθ ) R2,П (r) = П ( R ) 2 F12 (θ ,φ )1rsin 2 (kd cosθ ) 22sin 2 (3.2)где θ = arctg(R/r) – arctg(R/H).Очевидно, что плотность мощности вблизи от абонента сильно зависит отего местоположения на данной трассе.
Зависимость плотности мощности такжесильно зависит от наличия уклонов и изломов подстилающей поверхности. Зависимость значительно усложняется при учете интерференции прямой и отраженной волны и при наличии затухания в растительности или дифракции напрепятствиях.Для повышения эффективности работы радиолиний на загородных трассах с учетом профиля трассы, препятствий и растительности необходимо применение антенн, ДН которых может быть адаптирована к условиям распространения сигнала на трассе.3.2. Пути повышения эффективности антенных устройстврадиосистем передачи информации для загородных трассАналогом проблемы, рассмотренной в предыдущем материале, являетсяобнаружение воздушных целей, двигающихся на постоянной высоте, в обзорных радиолокационных станциях.Для повышения надежности обнаружения в РЛС используются антенны,со специальной формой ДН. В таких антеннах значение коэффициента усиления изменяется при изменении углового положения цели так, чтобы принимаемый сигнал имел постоянную амплитуду.
Используем такой подход для загородных радиолиний.Будем предполагать, что азимутальный сектор, в котором работает передающая антенна, имеет близкие значения профиля подстилающей поверхностив пределах всех азимутальных углов.105Обозначим профиль высот подстилающей поверхности трассы в системекоординат, связанной с точкой установки мачты передающей антенны как ξ(z),тогда плотность мощности, создаваемая передающей антенной вблизи от абонента, будет равна [86, с.132-138; 87, с.
56-67; 88, с.575-584]П (r) = П ( R )R 2 + ( Н − ξ ( R ))r2 + ( Н − ξ ( r ))2FΣ2 (θ ),2(3.3)при наличии интерференции, дополнительного затухания, вызванного растительностью и препятствиями в этом выражении добавятся квадраты коэффициентов, учитывающих эти эффекты.Если потребовать, чтобы плотность мощности вблизи от абонента имелапостоянное значение в пределах всех дальностей расположения абонента, изпредыдущего выражения следует формула для ДН, которую должна иметь передающая антенна для удовлетворения этому требованию.ПолучаемFΣ (θ ) = Аr 2 + ( Н − ξ ( r ))2R + ( Н − ξ ( R ))22.(3.4)Здесь А нормирующий коэффициент, выбираемый так, чтобы максимумвсего выражения был равен единице.С учетом реального характера профиля подстилающей трассы это выражение предъявляет слишком жесткие требования к форме ДН передающей антенны, которые трудно реализовать на практике.Кроме того, с учетом возможностей радиосистемы связи по регулировкевеличины излучаемой мощности, нет необходимости точно реализовыватьформу ДН, задаваемую полученным выражением [89, с.2143-2159; 90, с.
56-67;91, с.154-158]. Достаточно учесть средние параметры, которые встречаются натрассах, для которых подстилающая поверхность имеет уклоны или пологиенеровности, как было показано на рисунках 2.5 - 2.6.1063.3. Синтез диаграмм направленности антенных устройствсистем связи для загородных и горных трассРассмотрим пути реализации формы ДН передающей антенны, полученные в предыдущем параграфе. Задачи такого типа в теории антенн относятся кзадачам синтеза [89, с.2143-2159; 90, с.
56-67; 91.с.154-158]. Наиболее разработанными в теоретическом плане методами синтеза антенн являются метод обратного преобразования Фурье и метод парциальных диаграмм.Метод обратного преобразования Фурье основан на том, что для линейного излучателя с непрерывным распределением тока на нем, форма ДН зависит от закона амплитудно-фазового распределения тока согласно соотношениюLFΣ (θ ) = A ∫ g (z)ejψ ( z ) jkz cosθe(3.6)dz ,0где А – множитель, нормирующий выражение к единице; g(z) – множитель,описывающий закон распределения амплитуды тока вдоль излучателя; ψ(z) –функция, описывающая закон распределения фазы тока вдоль излучателя; z –продольная координата на излучателе; θ – угол между направлением, проходящим через начало координат и точкой наблюдения и осью антенны.Если дополнить закон распределения тока нулевыми значениями до бесконечных значений, что позволяет расширить пределы интегрирования на всевозможные значения z, используя комплексное продолжение, отказаться отоператора вычисления модуля и ввести замену переменных kcos θ = α, можнозаписанное соотношение привести к стандартному виду прямого преобразования Фурье.
Для него существует обратное преобразованиеLg (z) = B ∫ FΣ (θ ) e j χ (θ ) e − jzα d α ,(3.7)0где χ(θ) – фазовая характеристика направленности антенны, В – нормирующийк единице коэффициент.107Главная проблема применимости такого подхода заключается в неопределенности фазовой характеристики антенны, фигурирующей в выражении.При произвольном задании фазовой характеристики будет получаться произвольное выражение для нормированного закона распределения тока вдоль линейного излучателя, причем не все виды распределений тока будут физическиреализуемыми.
Эта проблема приводит к малой применимости такого способасинтеза антенн. На практике для синтеза амплитудно-фазового распределениятока по заданной ДН применяется так называемый метод парциальных диаграмм.Рассмотрим его обоснование для линейного излучателя с непрерывнымраспределением тока.Из теории антенн известно, что абсолютная ДН линейного излучателя снепрерывным распределением тока может быть записана в видеFа (θ ) = AI0 L∫L0g (z)e jkz (cosθ −ξ ) dz = AI0 LF (θ ),(3.8)где ξ – коэффициент замедления волны тока на линейном излучателеξ = ψ ( z ) kz ,(3.9)I0 – амплитуда волны тока, А – постоянный коэффициент.Максимум ДН линейного излучателя ориентирован под углом мθ = arccos ξ,м(3.10)ширина главного лепестка ДН по уровню -3 дБ составляет2∆θ0,5 = 510 λ/L.(3.11)С учетом линейности системы уравнений Максвелла, описывающей электромагнитное поле антенны, при наличии нескольких накладывающихся другна друга законов распределения тока с совпадающим началом координат полный суммарный закон распределения тока будет иметь вид = ∑.
(3.12)Тогда суммарная абсолютная ДН, создаваемая всеми законами распределения тока будет определяться формулой108 = ∑ .(3.13)Соотношения (3.10) - (3.13) являются основными для синтеза главноголепестка ДН антенны по методу парциальных диаграмм [91, с.154-158].Пусть задана функция Θ(θ), определяющая форму ДН синтезируемой антенны, определенная на промежутке θмин … θмакс и N – число базисных парциальных диаграмм, используемых для синтеза.По этим начальным данным определяются начальная длина антенныL0 =51λ N,θмакс − θмин(3.14)ширина парциальной ДН2∆θ0,5 =θ макс − θ мин,N(3.15)направления ориентации максимумов ДН парциальных диаграммм = мин + − 0,5!2#,(3.16)коэффициенты замедления волны парциального тока$ = cos м .(3.17)Амплитуды парциальных токов определяются как отсчеты ДН синтезируемой антенны для углов ориентации максимумов парциальных ДН = Θм !.(3.18)Нормированная ДН парциальных токов определяется выражением kLsin (ξ − cos θ ) 2.Fi (θ , φ ) = Af1 (θ , φ ) kL(ξ − cos θ )2(3.19)Полученные данные позволяют построить суммарный закон распределения тока по (3.12) и суммарную ДН синтезируемой антенны по (3.13).Анализ полученных зависимостей позволяет провести конструктивнуюоптимизацию антенны, используя в качестве критериев число парциальных ДН,точность реализации синтезируемой ДН по форме, по ширине ДН или уровнюбоковых лепестков, конструктивную длину синтезируемой антенны.109Получим аналогичные соотношения для синтеза эквидистантной линейкиизлучателей методом парциальных диаграмм, учитывая, что ДН парциальногозакона распределения тока определяется соотношением (3.1), а формула (3.14)является приближенной и выполняется только для большого числа излучателей.В линейке излучателей, содержащей М элементов, длина линейки равнаL = (M –1)d,(3.20)где d – расстояние между проекциями центров излучателей на ось линейки,удовлетворяющее соотношению)≥+,-./ 0макс,(3.21)где макс − максимальноезначениеизм .Формулы (3.20), (3.21) дополняют (3.14) - (3.18) при синтезе линейки излучателей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
