Целью исследования является разработка теории, методов анализа, оценки характеристик и создания образцов широкополосных малогабаритных высокотехнологичных антенных элементов и экранов различных конфигураций для минимизации ошибки позиционирования по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).
В соответствие с указанной целью в работе ставятся и решаются следующие задачи:
—
Разработка теории, методов анализа и конструктивных образцов низкопрофильных широкополосных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков, заменяющих традиционные печатные конструкции.
—
Разработка принципов построения и создание конструктивных образцов широкополосных объемных антенн круговой поляризации общим габаритом в десятые доли длины волны.
—
Построение инженерных оценок и анализ характеристик и потенциальных возможностей плоских проводящих и импедансных экранов, а также экранов из композитных материалов, в том числе для экранов в резонансном частотном диапазоне.
—
Создание образцов антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных навигационных приемников.
Научная новизна работы:
—
Разработаны основы теории низкопрофильных пластинчатых антенн с подложками из искусственных диэлектриков в виде периодической системы элементов с малым, по сравнению с длиной волны, шагом. Выявлены условия отсутствия значительной нормальной дисперсии в технологически реализуемых подложках. Выявлен эффект расширения полосы частот при использовании подложки в виде периодической замедляющей системы, расположенной по периметру пластинки. Разработаны образцы антенны, работающих в полном диапазоне частот ГНСС с подложками, выполняемыми экономичными методами литья и штампа.
—
Выявлен и обоснован эффект значительного расширения полосы частот в пластинчатых конструкциях при наличие емкостных связей пластинок между собой и экраном. Получены оценки оптимальной высоты пластинки для двумерного приближения и оптимального радиуса сферической несущей в объемной конструкции. Созданы образцы конструкций с полосой пропускания свыше 40% при габаритах порядка одной трети длины волны относительно нижней частоты диапазона.
—
Построено замкнутое аппроксимационное выражение для тока, возбуждаемого ненаправленным источником на плоском проводящем экране. Изучены границы применимости этого выражения путем сравнения с точным численным решением. Получены инженерные оценки характеристик направленности и диаграмм обратного излучения (ДОИ), формируемых плоским проводящим экраном, возбуждаемым ненаправленным источником, источником со слабой направленностью, а также источником со столообразной ДН.
—
Построено замкнутое аппроксимационное выражение для тока, возбуждаемого ненаправленным источником на плоском проводящем экране. Изучены границы применимости этого выражения путем сравнения с точным численным решением. Получены инженерные оценки характеристик направленности и ДОИ, формируемых плоским проводящим экраном, возбуждаемым ненаправленным источником, источником со слабой направленностью, а также источником со столообразной ДН.
—
Асимптотически оценены характеристики направленности и ДОИ антенн на плоских экранах импедансного типа.
—
Построена функция распределения эквивалентного электрического тока полупрозрачного композитного экрана при любых расстояниях от источника. Показано, что характеристики полупрозрачного экрана слабо зависят от фазы (характера) эквивалентного импеданса, при условии, что этот импеданс не индуктивный. Показано, что для экрана заданных размеров существует оптимальный импеданс слоя, обеспечивающий наилучшую ДОИ. Получены оценки ДН и ДОИ для практически реализуемых конструкций.
—
Разработаны опытные и серийно выпускаемые антенны высокоточного позиционирования.
На основе методов и подходов, развитых в работе, созданы конструкции антенн высокоточного позиционирования и антенных блоков интегрированных приемников, выпускаемые серийно и зарегистрированные международной службой калибровок геодезических антенн, в том числе: антенна Topcon PGA5 (L1 GPS/ГЛОНАСС) со щелевым возбуждением; антенны Topcon PGA1…PGA3 (L1,L2 GPS/ГЛОНАСС) и антенны интегрированных приемников семейства Hiper; антенный блок приемника Topcon GMS-2 (L1 GPS/Omnistar) для ГИС применений; антенна Topcon MGB6 (L1 GPS/ГЛОНАСС/OMNISTAR/Beacon) для ГИС применений; антенны Topcon CR-G3, PG-A1 и антенный блок приемника GR3 (L1/L2/L5 GPS/ГЛОНАСС); антенный блок интегрированного всечастотного GPS/ГЛОНАСС/GALILEO/Omnistar/BEACON приемника Topcon Trupath системы автоматического управления cельскохозяйственными машинами.
Основные положения, выносимые на защиту:
—
Способы построения низкопрофильных пластинчатых антенн круговой поляризации с подложками из искусственных диэлектриков, выполняемых из металла методами литья или штампа, а также объемных широкополосных пластинчатых конструкций малого электрического размера.
—
Теория уменьшения ошибки многолучевости экранами различных типов антенн высокоточного позиционирования.
—
Инженерные методы расчета и проектирования антенн указанного класса.
GuidesArray Circular™ осуществляет электродинамическое моделирование плоских фазированных антенных решеток круглых волноводов с помощью метода моментов.
