Разработка методов моделирования и исследование свойств излучателей на основе синхронных спиралей

• Автор: Захарова, Светлана Сергеевна
• Шифр специальности: 05.00.00
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Анализ применения спиральных антенн в радиотехнических системах

1.1. Анализ перспектив развития антенных систем

1.2. Анализ свойств существующих типов спиральных антенн и принципов их работы

1.3. Вывод дифференциального уравнения синхронной спирали и его решение

1.4. Методы расчета характеристик плоских спиральных излучателей

1.5. Исследование возможности создания и пути исследования антенн на основе

синхронных спиралей

1.6. Постановка задач диссертационной работы

2. Разработка метода моделирования и расчета характеристик синхронных спиральных излучателей
2.1. Качественный анализ излучения синхронного спирального излучателя
2.2. Анализ дисперсионных свойств излучателей на основе синхронных спиралей как замедляющих систем
2.3. Расчет диаграммы направленности синхронного спирального излучателя методом векторных потенциалов при заданном возбуждающем токе
2.4. Расчет основных характеристик излучателей на основе синхронных спиралей
2.5. Моделирование излучателей в форме однозаходных синхронных спиралей в программе ММапа с учетом распределения возбуждающего тока
2.6. Сопоставление диаграмм направленности синхронных спиральных излучателей с другими их типами
2.7. Разработка метода моделирования спиральных излучателей
2.8. Выводы
3. Разработка метода проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, расположенных над плоским металлическим экраном
3.1. Разработка метода проектирования антенн на основе синхронных спиралей
3.2. Разработка метода расчета диаграммы направленности для излучателей,
расположенных над металлическим экраном
3.3. Расчет волнового сопротивления синхронного спирального излучателя,
расположенного над плоским металлическим экраном
3.4. Анализ свойств антенн на основе двухзаходных спиральных излучателей при синфазном и противофазном возбуждении
3.5. Разработка конструкции антенн на основе синхронной спирали
3.6. Выводы
4. Внедрение результатов диссертационной работы в разработку антенны для устройства мониторинга сетей сотовой связи
4.1. Постановка задачи
4.2. Обоснование выбора конструкции и параметров антенны
4.3. Расчет основных характеристик проектируемой антенны
4.4. Конструкция спроектированной антенны и технологический процесс производства
4.5. Выводы
Заключение
Литература
Приложение 1. Диаграммы направленности для излучателей на основе арифметической, логарифмической и синхронной спиралей

Введение
Важной тенденцией в развитии телекоммуникационных и ряда других средств является их перевод на беспроводную, эфирную основу, что обуславливает необходимость дальнейшего развития антенных устройств, определяющих многие предельные показатели радиотехнических систем.
Развитие антенной техники и повышение требований к разработкам привело к актуализации новых проблем проектирования антенн. Многие из них связаны с получением требуемых характеристик, созданием антенн с уникальными свойствами — фазированных антенных решеток, адаптивных и сверхнаправленных антенн, а также широкополосных антенных устройств.
Расширение рабочей полосы антенн является одним из основных средств повышения информационной емкости и пропускной способности радиотехнических систем. Антенны обычно представляют собой сложные устройства, основной частью которых являются излучатели. Одним из наиболее важных и распространенных типов являются антенны на основе спиральных излучателей, широкое применение которых в радиотехнических системах подчеркивает важность развития теоретических основ их проектирования и конструирования, а также поиска новых типов спиральных излучателей и разработки методов проектирования антенн на их основе.
Основное отличие спиральных излучателей друг от друга заключается в их геометрии, числе заходов, шаге витков, которые можно считать их параметрами. Существенное значение имеет закон навивки спирали, который во многом определяет параметры антенны. В качестве параметра можно ввести также коэффициент замедления радиальной волны, широко используемый в диссертации и введенный в теории замедляющих систем как их характеристика.
В России развитию теории и практики использования спиральных антенн посвящены работы Казарина А.Н., Шестопалова В.П., Рунова A.B., Смирнова H.H., Сазонова Д.М., Чебышева В.В. и др. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Сенсипера С., Рамзея В., Йена Ю., Турнера E., Риблета X., Жонеса Г.
В работах этих авторов были заложены и развиты теоретические основы функционирования антенн со спиральными излучателями, выявлены и проанализированы их основные свойства и режимы работы, получены основные расчетные соотношения, а также показаны достоинства и недостатки практического использования спиральных
антенн, основным качеством которых является широкополосность и высокая частотная стабильность характеристик.
Проведенный анализ современного состояния развития теории спиральных антенн показал, что в данной области имеются вопросы, требующие дополнительной проработки и развития. К новым, малоисследованным типам антенн относятся плоские антенны, построенные на основе спиральных излучателей, отличающихся по конфигурации от наиболее известных — логарифмической и арифметической спиралей.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов моделирования и проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей, а также исследованию их свойств. Синхронная спираль как излучатель для построения антенн и составная часть замедляющих систем была предложена в 1994 г. Солнцевым В. А. [19]. Исследование её характеристик, а также разработка метода проектирования, конструкции и получение расчетных соотношений является задачей, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение.
На основе проведенного в диссертационной работе анализа существующих типов излучателей для спиральных антенн и их свойств, а также описания синхронной спирали как геометрического объекта можно сформулировать цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является разработка методов моделирования и исследование свойств синхронных спиральных излучателей, разработка метода расчета их характеристик, включая расчет диаграмм направленности для излучателей, расположенных на слое диэлектрика над экраном, а также алгоритма проектирования антенн на основе синхронных спиральных излучателей.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.
1. Проведен анализ использования антенн в современных радиотехнических системах и существующих типов спиральных антенн, их свойств и режимов работы, а также качественный анализ синхронной спирали как объекта исследования, что позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
2. На основе положений теории замедляющих систем проведен анализ дисперсионных свойств, что дало возможность обосновать с физической точки зрения основные режимы работы синхронного спирального излучателя.
3. На базе теории электродинамических потенциалов предложен метод моделирования и расчета диаграмм направленности излучения н основных характеристик для однозаходных синхронных спиральных излучателей. Выполнена проверка полученных соотношений путем сопоставления результатов расчета по

Синхронная спираль при |М| = 1. Если |М| = 1, то для пространственных
гармоник отсутствует как замедление, так и ускорение. В этом случае уравнение (1.9) при использовании безразмерного радиуса принимает вид
2р'-р2 +1 = 0. (2.1)
Его решение имеет вид:
(1 + р') еф-
т = 1п —— , или р = при 0 < р < 1, 0 <ф<оо;
I 1 — р у еф+
. Гр-Ч м
Ф = ш ----- , или р = при 1 Ь р < со, — ОО < ф < 0.
(р + 1,) 1-еф
1-е'4’
Для 0<р<1 зависимость р(ф) может быть записана в виде р = 7-, Сечение
1 + е ф
такой спирали лучом ф = 2тс« (п = 0,1,2....), выходящим из начала координат, соответствует точкам р„ = ^ . Ввиду того, что при 0 < р < 1 радиус удобнее
Ч«-“У
отсчитывать от значения р = 1, введем безразмерную величину 5 = 1 - р. Тогда уравнение (2.1) преобразуется к виду
28' - 28 + 82 = 0, (2.3)
и имеет решение
5 = 1-Р = ^ТТ- (2-4)

Значения координат пересечения с лучом составят 8и =-------------- , откуда имеем

5 =1, 5 = , 5, = Из приведенных соотношений следует, что плотность
0 1 1 + е2" - 1+е4"
точек пересечения с лучом при движении вдоль него от начала координат к радиусу р = 1 быстро увеличивается, точки сгущаются.
Для значений р > 1 введем 5 = р -1. Тогда уравнение (2.1) принимает вид
25'-28 - 82 = 0. (2.5)
Оно имеет решение
5 = -со < ф <0. (2.6)