Тема дипломной работы: Разработка, исследование и оптимизация параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА

Задачи работы. Задача, решаемая в работе, состоит в разработке, исследовании и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, разработке методов повышения энергетического потенциала и помехозащищенности линии связи с беспилотным летательным аппаратом, на основе использования антенных решеток, с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу.
Актуальность данной работы заключается в основополагающей важности системы информационного обмена с БпЛА, которая по значимости равна и даже превосходит значимость самого БЛА (так как при недостатках в этой системе возможен перехват БЛА противником и использование против исходного владельца). При этом вопросы, исследуемые в работе, активно изучаются в последние десятилетия, что подтверждается значительным количеством экспериментальных и теоретических работ, опубликованных в этом направлении, часть которых отражена в прилагаемом списке литературы.
Научная новизна работы заключается в исследовании принципов синтезирования антенных решеток применительно к задачам оптимизации бортовых антенных решеток, в моделировании антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу, в моделировании наземных антенн, синтезированных по широкополосному сигналу. В исследовании и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, в исследовании плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с торцевым и центральным возбуждением, в исследовании плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона с электронным управлением поляризационными характеристиками, в оптимизации параметров плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона.
Практическая значимость работы заключается в разработке вопросов практической реализации наземных и бортовых антенн, синтезированных по широкополосному сигналу, в разработке и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа, позволяющих существенно повысить энергетический потенциал системы связи, оптимизировать диаграмму направленности реальных антенн, повысить коэффициент их усиления, обеспечить оптимальные параметры согласования с питающим трактом.

К дипломной работе прилагается сама работа, презентация и текстовый документ для устного доклада.

Задачи оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа и совершенствования антенных решеток в том числе дифракционных, являются тесно взаимосвязанными задачами и даже в некотором смысле синонимичными, поскольку часто вышеуказанные задачи, являясь одними и теми же по сути, приобретают различия в названии в зависимости от приложений. Действительно, общими в этих задачах являются подзадачи совершенствования базовых дифракционных структур антенных решеток, базовых элементов дифракционных антенных решеток, дифракционные решетки также используются в качестве излучающей апертуры плоских дифракционных антенн.
Весьма актуальными являются, решаемые, в главах 1, 2, 3 настоящей ВКР, задачи создания и совершенствования антенных решеток, синтезированных по широкополосному сигналу, для средств связи БпЛА, исследования и создания бортовых антенн с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу, изучение и разработка принципов синтезирования антенных решеток, оптимизации бортовых антенных решеток, исследование наземных антенн с диаграммами направленности, синтезированными по широкополосному сигналу. Также наиболее важными остаются вопросы практической реализации наземных и бортовых антенн синтезированными по широкополосному сигналу, рассматриваемые далее в главе 5 настоящей ВКР.
Не менее важной задачей, связанной с вышеуказанными задачами, но и имеющей вместе с тем базовый, основополагающий характер и самостоятельную ценность является задача разработки, исследования и оптимизации параметров плоских антенн дифракционного типа для повышения эффективности информационного обмена с БпЛА. Эта задача и решается в данной главе №4.
Основными достоинствами плоской антенны являются: компактность, плоская геометрия в сочетании с дистанционным электронным управлением типом поляризации, герметичность конструкции, транспортабельность.
Однако особенно ярко преимущества управляемых и неуправляемых ПДА раскрываются при использовании их в бортовых системах КВЧ диапазона волн. Отсутствие выступающих элементов делает незаменимыми антенны подобного типа в плане снижения аэродинамических нагрузок летательных аппаратов различного назначения.
Полученные в ходе экспериментальных и натурных испытаний параметры созданных ПДА подтверждают их конкурентоспособность с наиболее часто используемыми апертурными антеннами (параболическими) и высокую актуальность разработки ПДА и соответствующих систем автоматического проектирования ПДА (САПР ПДА).
Использование направленной антенны позволяет увеличить отношения сигнал/шум и увеличить дальность. Эти антенны диапазона 3см, это 10,9-12,5 ГГц, могут быть использованы как для спутниковой связи, так и для связи с БпЛА (хотя в основном для связи с БпЛА используется дециметровый диапазон).
При этом для исследуемых ПДА характерной особенностью является многофункциональность и многозадачность – они могут быть использованы (с обсуждаемыми преимуществами) и для связи с БпЛА и для связи со спутником. То есть и для информационного обмена между наземной станцией комплексов включающих БЛА и спутником, и для непосредственного информационного обмена между БЛА и спутником и, таким образом, решать важную задачу интеграции спутников в комплекс с БЛА.
Подобная концепция многофункциональности, многократного дублирования, является вполне оправданной, когда идет речь о решении критически важных задач, доведении критически важного управляющего сигнала, или критически важной информации.
На Рис. 4.8 главы 4 приведена ПДА с управляемой поляризацией, которая может обеспечить так называемое поляризационное кодирование передаваемого сигнала, что имеет ряд собственных преимуществ, связанных с повышенными помехоустойчивостью, плотностью передаваемой информации и при применении специальных схем именно поляризационного кодирования повышенной защитой от несанкционированного доступа (расшифровки информации, ее подмены).
Сравнивая характеристика исследуемых ПДА с наиболее распространенными типами антенн, такими, как например штыревая антенна, можно говорить о том, что коэффициент усиления у исследуемых ПДА выше до нескольких раз в зависимости от типа антенны выбранной для сравнения. Это является важным преимуществом в связи со следующими соображениями.
Одна из проблем связи с БЛА – ограничение дальности (наличие мультипликативных и аддитивных помех). Дальность можно повысить используя направленную антенну. Повышая коэффициент усиления (КУ) мы повышаем энергетический потенциал системы связи и дальность связи.
Таким образом, высокий коэффициент усиления является одним из значительных преимуществ исследуемых и разрабатываемых ПДА.
Кроме того, несомненным преимущество исследуемых и разрабатываемых ПДА – является то, что они плоские и эргономичные. Отсутствует выступающие элементы, что очень важно, например, на размещении на ЛА и БЛА.
В случае ее размещения на ЛА и БЛА, в зависимости от выбранного диапазона, а именно, если в этом диапазоне сложно организовать электромагнитное управление диаграммой направленности, антенну нужно будет механически поворачивать, наводя на НСУ (так как некоторых диапазонах затруднительно э.м. управление ДН – диаграммой направленности).
При этом и проблема организации электромагнитного управления ДН может быть решена. Если перейти в миллиметровый или субмиллиметровый диапазон, то можно заменить конструктивно входящий в структуры антенны диэлектрик ферритом или сегнетоэлектриком и управлять диаграммой направленности электромагнитным (электронным) образом.
Исследуемые ПДА и плоские дифракционные антенные решетки фактически равны по всем свойствам (ДН, КУ…) более громоздким и сложным пространственным структурам с выступающими элементами, занимающими большой объем и т.д. А компактные и эргономичные ПДА являются в электромагнитном смысле фактическим двойником таких менее эргономичных и в разы более крупных по геометрическим параметрам структур.
Отметим, что в работе решается задача повышения разрешающей способности антенных решеток –а это повышение способности аппаратуры по угловым координатам одновременно отслеживать и оценивать параметры нескольких целей.
Например, в случае низкой разрешающей способности мы можем различить “смутное” пятно, а в случае высокой поймем, что это например группа истребителей.
Также, более эффективно может быть решена более актуальная в смысле организации информационного обмена задача: найти объект, чтобы начать с ним информационный обмен.
Плоская антенна, расположенная например на крыше автомобиля в нерабочем - сложенном состоянии является малозаметной, далее - подняли в рабочее положение, повернули – нашла беспилотник – связь – затем в исходное положение. Но, если сделать маленькой, то можно устанавливать на БпЛА, но ее придется механически поворачивать.
Опираясь на данные таблицы 4.2 главы 4, отметим, что у разработанных антенн коэффициент усиления (КУ) в рабочей полосе частот имеет значения 40,7 – 41,3 Дб – это весьма серьезное достижение так как, у штыревой антенны, например, 2 Дб.
Также, преимуществом исследуемых антенн является узкий луч, уровень боковых лепестков (Дб) не более -13 – это действительно узкий луч, что означает во первых: вся энергия излучается в нужном направлении, что в свою очередь означает увеличение дальности, а во вторых за счет низкого уровня боковых лепестков получается сниженная заметность.
Также, следует отметить у исследуемых, моделируемых и разрабатываемых антенн низкий уровень кросс-поляризации в рабочей полосе частот: не более -20 Дб.
С кросс-поляризации выгодно бороться, когда ее уровень низок и -20 Дб – это дейтвительно низкий уровень. Низкий уровень кросс-поляризации выгоден, например, при поляризационном кодировании информации (кросс-поляризация грубо говоря - это расплывание, изменение, переход из одной поляризации в другую, например, из горизонтальной в вертикальную или наоборот), а при поляризационном кодировании, когда мы кодируем, например, горизонтальной 0, а вертикальной 1-цу, то смешивание между видами поляризациями (кросс-поляризация) – нам совершенно не выгодно. О преимуществах же и особых возможностях поляризационного кодирования говорилось выше.
Говоря о преимуществах (по сравнению с другими типами антенн) рассматриваемых структур по отношению к помехам, к РЭБ, шумам, отметим следующее. Эти преимущества определяются уровнем боковых лепестков диаграммы направленности. Таким образом влияние шумов, помех можно снизить, а устойчивость системы связи к ним – повысить используя неравномерное амплитудное распределение поля в раскрыве антенны.
Также, неоспоримым преимуществом разрабатываемых в работе антенных структур (Стр.168) является возможность достижения низких значений коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) = 1. Эта задача легко решается за счет изменения угла между решетками. Улучшение согласования ПДА с питающим трактом возможно без значительного уменьшения ее полной эффективности антенных устройств и возрастания уровня боковых лепестков. Задача же согласования антенны с фидером является одной из самых «болезненных», решается сложно и требует использования зачастую громоздких антенно-согласующих устройств (АНСУ).
Когда идет речь о работах в области дифракционных антенных решеток и плоских антенн дифракционного типа, можно говорить о том, что в этом случае занимаются не только разработкой конкретной антенны с заданными параметрами, а занимаются оптимизацией и улучшением разрешающей способности целого класса по определению “выигрышных” антенн в целом.
Применение большинства из полученных (предложенным) нами решений (и большинства из предложенных антенных структур) обеспечит несомненный выигрыш по большинству параметров по сравнению с «традиционными» антеннами и уже только от конкретных задач, которые являются весьма многочисленными специфичными и индивидуальными, зависит какую именно структуру применить.