ДонНТУ   Портал магістрів

Гришко Катерина Євгеніївна

Факультет радіотехніки та спеціальної підготовки

Кафедра радіотехніки та захисту інформації

Спеціальність Системи технічного захисту інформації, автоматизація її обробки

Розробка широкосмугових антен кругової полярізації в захищених системах передачі даних

Науковий керівник: к.т.н., доц. Пасльон Володимир Володимирович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Мета і задачі дослідження
• 2. Актуальність теми
• 3. Передбачувана наукова новизна
• 4. Антени з керованою діаграмою спрямованості
• 5. Антенні решітки
• 6. Спіральні антени
• 6.1 Циліндричні спіральні антени
• 6.2 Конічні спіральні антени
• 7. Кругова поляризація
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Техніка антенно-фідерних пристроїв – одна з областей радіотехніки, які найбільш швидко розвиваються. Певною мірою вона визначає розвиток радіолокації, радіоастрономії, техніки зв'язку та багатьох інших напрямків науки. У результаті високої насиченості навколишнього простору сигналами різної частоти виникає необхідність створення адаптивних антенних систем.

Виходячи з вищевказаного, можна сформулювати вимоги до сучасних антенних систем:
- низький рівень побічного випромінювання;
- широкополосність;
- максимальний коефіцієнт використання поверхні;
- висока швидкість керування діаграмою спрямованості;
- мінімізація масогабаритних параметрів.

Розширення кола завдань, що вирішуються антенними системами, призвело до істотного збільшення кількості класів, типів і видів антен. У процесі розвитку антени значно ускладнювалися і видозмінювалися. Сучасні системи працюють в різних частотних діапазонах, відрізняються конструктивними і економічними параметрами. Також значною мірою відрізняються і характеристики окремих антенних систем.

Крім передачі і прийому сигналів антени стали застосовуватися і для виконання великої кількості інших різноманітних функцій: обробки сигналів (просторової, часової, просторово-часової), визначення координат джерел випромінювання, посилення переданих сигналів. В результаті чого зростає роль антенних систем у приймально-передавальної апаратурі, і одночасно виникають нові напрямки її використання.

Осевое излучение таких антенн формируется только отдельной активной областью. Данная область ограничена витками, длина которых близка к длине волны.

1. Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є можливість побудови антеною системи з діаграмою спрямованості, керованої шляхом зміни параметрів антен. Дослідження проводиться для просторових спіральних антен.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
1) вивчити властивості спіральних антен;
2) розрахувати параметри антеною системи;
3) використовуючи дані розрахунків провести комп'ютерне моделювання;
4) проаналізувати отримані результати..

2. Актуальність теми

На сучасному етапі проектування антенних систем стикається з проблемою зменшення геометричних розмірів антен. Можливість немеханічного керування діаграмою спрямованості дозволяє не тільки зменшити геометричні розміри системи, але й істотно зменшити кількість використовуваних антен.

3. Передбачувана наукова новизна

У даному дослідженні буде вивчена можливість реалізації принципово нового способу керування діаграмою спрямованості системи спіральних антен.

4. Антени з керованою діаграмою спрямованості

При розробці антеною системи з керованою діаграмою спрямованості виникає необхідність вирішення двох основних класів задач: компоновка антеною системи та розробка засобів обробки сигналів. Перший клас задач включає в себе питання формування діаграми спрямованості складових частин проектованої системи, дослідження закономірностей переміщення максимуму випромінювання, розрахунку похибок і багато іншого. Другий клас задач формують питання обробки переданих і прийнятих сигналів окремими елементами розроблюваної радіотехнічної системи.

Тільки комплексний підхід до вирішення вищевказаних завдань дозволяє максимально наблизити параметри проектованих антен до високих вимог, що пред'являються до сучасного обладнання.

З розвитком технологій безперервно зростають вимоги, зокрема, до антенних систем, які повинні здійснювати рішення цілого комплексу різнопланових завдань. До таких завдань можна віднести швидку зміну напрямку максимуму прийому і випромінювання електромагнітних хвиль.

Переміщення променя антени в просторі може здійснюватися кількома способами: механічним, електромеханічним і електричним. [1, 394] Розглянемо кожен із них докладніше.

Механічне сканування навколишнього простору здійснюється за рахунок повороту всієї конструкції антеною системи. У більшості випадків через великі розміри антен цей спосіб характеризується низькою швидкістю сканування, а також значними енергетичними затратами. Вищевказані недоліки не дозволяють широко використовувати механічне переміщення променя діаграми спрямованості в сучасних системах.

Частково недоліки механічного сканування усунені в електромеханічних методах сканування. Електромеханічне сканування здійснюється за рахунок переміщення за допомогою електродвигунів (електромагнітів) одного або декількох елементів антеною системи. В результаті чого відбувається нахил еквіфазної поверхні поля в нерухомому розкриві. Як приклад можна привести керування променем дзеркальної антени при зміщенні випромінювача. [1, 394]

За рахунок того, що елемент, положення якого змінюється при даному способі сканування, має меншу масу, ніж при механічному скануванні, зростає швидкодія всієї системи. Але, тим не менш, швидкість сканування залишається досить низькою, що не дозволяє в повній мірі задовольнити вимоги сучасних систем. До істотних мінусів електромеханічного керування променем діаграми спрямованості також можна віднести відсутність можливості спостереження за переміщенням у просторі кількох об'єктів, що рухаються з великою швидкістю.

Наступний вид сканування навколишнього простору – електричне. При даному типі сканування амплітудно-фазовий розподіл збудження в нерухомому розкриві змінюється електронно-керованим пристроєм, в якості якого можуть виступати напівпровідникові елементи, комутатори, ферритові фазообертачі.

Швидкість сканування при використанні електричних методів керування істотно вище, ніж при механічних або електромеханічних, і обмежується тільки інерційністю електричних кіл.

Одна з перших антен з немеханічним керуванням діаграмою спрямованості була побудована в 1937 р. Це була система ромбічних антен, розташованих по прямій лінії на ділянці близько 1,5 км. Керування максимумом діаграми спрямованості здійснювалося шляхом зміни фазових співвідношень між струмами в окремих ромбах. Надалі антенні системи з немеханічним керуванням променем діаграми спрямованості набули широкого розповсюдження. Одна з перших антен з електричним скануванням була створена в 1955 році колективом фахівців Ленінградського електромеханічного інституту. Пізніше, в 1960 році, професором Л.М. Дерюгіна була розроблена антена з комутаційним керуванням променем діаграми спрямованості.

На сьогодні антенні системи з електричним скануванням можна розділити на три великі класи:
- антени з фазовим скануванням (при даному способі керування регулюються зрушення фаз на входах окремих випромінювачів, при цьому амплітудне розподіл залишається приблизно постійним);
- антени з амплітудним скануванням (керування здійснюється перемиканням входів багатопроменевий антеною системи [1, 395]);
- антени з частотним скануванням (фазові зрушення регулюються зміною частоти коливань).

Істотним недоліком всіх перерахованих типів антенних систем можна вважати те, що при досить високих швидкостях керуючого впливу миттєва діаграма спрямованості починає сильно спотворюватися і антена втрачає свої спрямовані властивості. Це обумовлено перехідними процесами в окремих елементах системи. Позбутися вищевказаного дефекту можна шляхом підбору оптимальної швидкості сканування.

5. Антенні решітки

Характеристики антен в багатьох випадках визначають можливості і параметри складних радіосистем. Вони застосовуються в таких областях радіоелектроніки як радіолокація, радіонавігація, радіорозвідка, радіопротидії. Традиційні підходи до проектування радіосистем більш не є актуальними, оскільки спрямовані на створення пристроїв, що дозволяють здійснити тільки прийом і передачу електромагнітних хвиль. У сучасних умовах розвитку техніки антенно-фідерні пристрої повинні виконувати широке коло завдань, спрямованих на коректну обробку переданих і прийнятих сигналів. Багато в чому такі жорсткі вимоги викликані необхідність зменшення габаритних характеристик проектованих комплексів.

Антенні решітки – складні радіотехнічні системи, застосування яких дозволяє розробляти антенні системи з необхідними масогабаритними та функціональними характеристиками.

Додаткові можливості з енергетичного потенціалу, гнучкості керування па-раметрами системи, підвищення надійності і значного розширення кола вирішуваних завдань з'являються при використанні активних фазованих антенних решіток. За своєю суттю активна фазована антенна решітка є радіотехнічним комплексом, в якому радіопередавачем та радіоприймачем входять до складу антеною решітки в якості розподілених структур. Основними вузлами таких структур є активні модулі. [5, 11]

Основні вимоги до активних фазованим гратам в системах передачі даних:
- максимізація коефіцієнта еліптичності поля;
- мінімізація зміни коефіцієнта еліптичності електромагнітного поля в обла-сті сканування;
- мінімізація втрат;
- стійкість режиму роботи;
- зниження залежності роботи антеною решітки від змін навантаження, ви-кликаних взаємодією випромінювачів.

6. Спіральні антени

Забезпечення широкополосності можливо при використанні спіральних антен – діапазонних антен, основою яких є провідник у формі спіралі.

Особливістю спіральних антен є те, що їх діаграма спрямованості близька до кругової. Це дає можливість застосовувати їх у супутникових системах передачі даних. Ще одна відмінна риса даного типу антен – високий вхідний опір. У ряді випадків це дозволяє без будь-яких додаткових узгоджувальних елементів привести його до опору звичайного коаксіального кабелю, рівного 50 Ом.

Випромінювання таких антен формується тільки окремої активною областю. Дана область обмежена елементами, довжина яких близька до довжини хвилі.

На сучасному етапі розвитку антеною техніки спіральні антени можна розділити на просторові (гвинтоподібні) і плоскі (в інтегральному виконанні). У свою чергу до просторових антен відносяться циліндричні (рис. 2а) і конічні (рис. 2б) антени. Плоскі антени можуть бути виконані у вигляді спіралі Архімеда (рис. 3а) або у вигляді логарифмічної спіралі (рис. 3б).

Спіральні антени застосовуються в дециметровому і сантиметровому діапазонах довжини хвиль. Вони використовуються в якості елементів антенних решіток і опромінювачів спіральних антен.

У радіолокації внаслідок того, що спіральні антени мають кругову поляризацію, вони застосовуються для отримання більш контрастного зображення цілі на фоні завад. [9,75]

6.1. Циліндричні спіральні антени

Циліндрична спіральна антена є спіраллю з постійним кроком намотування, виконану на циліндричній поверхні. Один кінець спіралі під'єднується до внутрішнього провідника коаксіальної лінії, а інший кінець залишається вільним. Зовнішній провідник коаксіальної лінії приєднується до металевого екрану, який необхідний для отримання односпрямованого випромінювання. Циліндричні спіральні антени визначаються наступними геометричними параметрами: l – осьова довжина спіралі; A = D / 2 – радіус спіралі; s – відстань між витками (крок спіралі); N – число витків; L – довжина одного витка; a – кут підйому спіралі.

Граничними випадками спіральної антени є кільцева антена (рамка), в яку спіраль звертається при a > 0, і лінійний провід (штирьова антена) при a > 90 °.

Спрямовані властивості спіральної антени в першу чергу залежать від її поперечних розмірів. Розрізняють кілька режимів роботи спіральної антени:
1. Режим ненаправленного випромінювання
При малому в порівнянні з довжиною хвилі діаметрі витків, кожен окремий виток спіралі можна вважати елементарної плоскою рамкою. У такому випадку спіраль є сукупністю елементарних рамок, осі яких збігаються з віссю антени. Дана антена не випромінює уздовж своєї осі. Максимальна ефективність випромінювання спостерігається в площині витка, тобто в напрямку, перпендикулярному осі антени.
2. Режим осьового випромінювання
При діаметрі витка, що знаходиться в діапазоні від 0,25 до 0,45 довжини хвилі максимум випромінювання формується в напрямку осі антени. При цьому випромінювання є односпрямованим.
3. Режим конічного випромінювання
Даний режим спостерігається при подальшому збільшенні діаметру витків спіралі. У цьому випадку з'являються два напрями максимуму випромінювання, які становлять гострі кути з віссю антени. Просторова діаграма спрямованості приймає вигляд конуса.

6.2. Конічні спіральні антени

Застосування конічних спіральних антен дозволяє збільшити робочий діапазон частот в порівнянні з застосуванням циліндричних. Конічні спіральні антени розглядаються як циліндричні з плавно змінюються діаметром.

Для даного типу антен характерно те, що діаграма спрямованості в основному формується групою з трьох витків, які називаються активною областю. [9,75] Для даної групи витків виконується умова осьового випромінювання. При зміні частоти активна зона переміщається уздовж осі спіралі, тобто умова осьового випромінювання виконується вже для іншої групи витків.

При порівнянні конічних спіральних антен з циліндричними можна відзначити, що основних їх перевагою є велика широкополосность. При цьому вони мають менший коеффіціенттом спрямованої дії в результаті того, що у формуванні діаграми спрямованості бере участь не вся спіраль, а тільки окрема її частина.

7. Кругова поляризація

Під поляризацією електромагнітних хвиль розуміють фізичну характеристику випромінювання, що описує анізотропію хвиль, тобто нееквівалентність різних напрямків поширення хвилі в просторі. У загальному випадку при випромінюванні електромагнітної хвилі напрям вектора напруженості електричного поля випадково і непередбачувано в кожен момент часу, що вказує на неполярізованность хвилі. Про поляризації можна говорити в тому випадку, коли зміна в часі просторової орієнтації вектора напруженості електричного поля підпорядковується суворо певним законом.

При розгляді суперпозиції двох монохроматичних хвиль однакової частоти, що поширюються в одному напрямку можна помітити, що в тому випадку, коли вектора напруженості електричного поля цих хвиль здійснюють коливання у взаємно перпендикулярних напрямках, крива, що описується кінцем проекції вектора результуючої хвилі, має вигляд еліпса. У даному випадку слід говорити про еліптичної поляризації. При еліптичної поляризації розрізняють хвилі з правим або лівим напрямком обертання вектора напруженості електричного поля. Окремим випадком еліптичної поляризації є кругова поляризація електромагнітної хвилі.

Кругова поляризація застосовується в тих випадках, коли для прийому сигналу положення площин поляризації приймальної і передавальної антен не має значення. Наприклад, в системах супутникового зв'язку або в радіолокації.

Висновки

На сьогоднішній день спіральні антени використовуються в різних радіотехнічних пристроях. Зокрема, широкого поширення набули плоскі спіральні антени (спіраль Архімеда, логарифмічна спіраль). Це обумовлено можливості значного скорочення геометричних розмірів антенних систем в результаті використання інтегральних структур.

Перелік посилань

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов – М.: Высш. шк., 1988. – 432 с.
2. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча (введение в теорию) – М.: Сов. радио, 1965. – 360 с.
3. Вендик О.Г. Антенны с электрическим сканированием / Вендик О.Г., Парнес М.Д.; под. ред. Л.Д. Бахраха [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bookre.org....
4. Проблемы антенной техники / под. ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского – М.: Радио и связь, 1989. – 368 с.
5. Гостюхин В.Л. Активные фазированные антенные решетки / Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Гостюхин А.В. – М.: Радиотехника, 2011. – 304 с.
6. Бекетов В.И. Антенны сверхвысоких частот. – М.: Воен. издат., 1957. – 119с.
7. Хмель В.Ф. Антенны и устройства СВЧ. / Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. – Киев: Вища школа, 1990. – 232с.
8. Чернышев В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. – М.: Связь, 1978. – 288с.
9. Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны: Учебное пособие. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – 130 с.
10. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. / Под. ред. Д.И. Воскресенского – М.: Сов. радио, 1972. – 320 с.
11. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток) / Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова; под. ред. Д.И. Воскресенского – М.: Радио и связь, 1981. – 432 с.
12. Юрцев О.А. Спиральные антенны. / Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. – М.: Сов. радио, 1974. – 224 с.
13. Табаков Д.И. Применение теории сингулярных интегральных уравнений к электродинамическому анализу кольцевых и спиральных структур: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук: спец. 01.04.03 Радиофизика / Д.И. Табаков – Самара, 2009 – 20 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.psuti.ru....
14. Неганов В.А. Теория и применнение устройств СВЧ: Учебн. пособие для вузов / Неганов В.А., Яровой Г.П.; под. ред. В.А. Неганова. – М.: Радио и связь, 2006. – 720 с.
15. Неганов В.А. Физическая регуляризация некорректных задач электродинамики – М.: Сайнс-пресс, 2008. – 450 с.
16. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / Никольский В.В., Никольская Т.И. – М.: Наука, 1989. – 544 с.
17. Айзенберг Г.3. Антенны УКВ / Айзенберг Г.3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. – М.: Связь, 1977. – 384 с.
18. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны – М.: Сов.радио, 1957. — 581 с.
19. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MMANA. – М.: ИП РадиоСофт, 2004. – 128 с.
20. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. – М.: Энергия, 1967. – 376 с.
21. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д.; под. ред Ю.В. Пименова. – М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.
22. Masoumeh Karimi Advances in Satellite Communications / Masoumeh Karimi, Yuri Labrador. – InTech, 2011. – 194 p. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.intechopen.com....