高频地下天线系统构建

发布时间：2018-12-16 11:30

【摘要】：时至今日,与过去几十年相比,(高频)无线电波的重要作用受到普遍认可。高频无线电网络和系统中的一些特殊场所需要采取保护措施(如广播电台,无线电中心),以确保其在其他种类和通信手段被禁用的极端自然、人为或战争的情况下运行。地下天线作为这种设施的一个重要部分,通常被广泛使用,其对目的地的参数,耐久性和生存能力有一定的要求。在20至25年前,这些物体的主要用途仅与近年来全球(包括核)武装冲突有关,因为最基本的威胁是基础设施越来越需要考虑大规模恐怖袭击的威胁。此外,自然灾害和人为灾害、恐怖主义行为和军事冲突的持续存在以及在某些情况下日益增加的威胁,使得现有被保护对象和地下天线、以及新建立的类似设施的使用寿命相对较低,修理和维护的可能性也非常有限。因此,目前一个重要的科学问题就是如何创建高效率,耐久性和高生存能力的地面天线。另一方面,需要创造新的保护设施和维持现有的设施,定期检查和建造新的地下天线,并且需要考虑不断增加的需求、设备耐久性和生存能力。本文的工作目标是开发用于高频无线电系统的地下天线,包括位置理论分析和技术解决方案。研究对象:地下高频测距天线系统。研究课题:高频无线电系统地下天线的设计和技术方案。论文的创新点如下:1、基于已知的矩量法,建立了耗散介质中天线的电动分析数学模型。2、获得了新的理论结果,通过施加恒定的电位移场来研究控制耗散介质的局部体积的宏观参数的可能性。3、开发了一种用于地下天线系统的基本散热器的技术,包括对战术和技术要求的分析,从现有设备中选择散热器类型,基于所开发的电动力分析规定介质的要求,计算散热器的电气参数。根据计算结果和仿真分析,对散热器的几何参数进行细化,通过施加一个恒定的电位移场对用于控制在该位置处的耗散介质的局部体积的宏观参数的精确化。4、开发了一种地下天线系统的设计方法,包括:对技术要求的分析,基础散热器类型的选择,天线系统电气参数的计算,基于天线电动分析的开发方法和精细化的天线几何参数,以及基于上述计算结果的天线系统。论文的理论和实践意义如下:本文首先对高频地下天线系统的现有解决方案和原理的主要特点进行了分析。参考发表在公开期刊的文章和专利,介绍了地下天线系统及其部件的具体技术方案,特别是地下天线旋转振荡器辐射系统的技术解决方案、基于隔离的非分流振动器在整体式沥青混凝土避难所的放置位置、短路隔离振动器、带三角肩的扁平振动器。地下天线的所有这些技术解决方案允许发射具有椭圆极化的电磁波。将地下天线放置在具有足够低损耗(导电率趋于零)的电介质中或排水系统中时,通过调整位置,可以减缓腐蚀以延长这种天线的使用寿命。对地下天线的电物理特性的分析表明,它们的方向性特征在形状、主辐射方向以及绝对值方面都非常接近。在水平面上,工作范围内的方向图接近圆形,不均匀度不超过±3 dB。在垂直平面中,方向图具有一个朝向上方的旁瓣,其宽度为-39dB的90°。在这种情况下,对于“良好”电介质,根据频率,相对于各向同性发射器的增益在-8至-12d B的范围内。在各种介质中给出的行波的自然系数的值不小于0.6,这允许在天线匹配装置的帮助下在工作频率上进行匹配。其次本文利用矩量法建立了耗散介质中天线的电动力学分析方法,考虑到地下天线的特点和它们所在的地球表层的半导体特点,基于已知的矩量法耗散介质和等效原理提出了一个模型和一种技术来计算地下天线的电气特性。这使它能够在考虑到介质界面的条件时找到自由空间的场,从而发现等效电流的分布。然后提出了一种基于结构的分解方法,该结构在一定程度上证明了部分对称的短对称振子在臂上呈指数电流分布。并且推导出了一个矩阵方程组,它可以确定给定励磁模式下分段(即天线中的电流分布)中的部分电流。得到了用于计算包含相对于彼此任意取向的段的结构中的互阻抗和导纳矩阵的元素的分析表达式。所开发的计算技术可以确定由单个导体制成的天线装置的电特性,并且所考虑的沉积环境的电物理特性是由相互任意取向的隔离导体的系统形成的。通过天线电动力分析技术,对测试问题的求解结果进行了验证。根据本文提出的方法和著名的Feko7.0软件包,使用地下天线的测试模型的例子,对该模型的各种几何和电物理特征进行电特性计算的结果进行比较,结果表明沿导体产生的电流分布与两种方法的精确度相当,并且与目前文献中的地下天线的电特性数据吻合得很好。因此,仿真结果证实了所提出的计算地下天线电特性的方法的正确性。本文还研究了通过施加恒定的电场位移来控制耗散介质局部体积的宏观参数的可能性,结果表明,施加恒定的外电场会导致远离天线的自由空间电荷的局域化,进而导致介质(天线附近)的电导率降低,从而降低了损耗。接下来,在前文的研究基础上,对地下天线系统的基本原理和基本特性进行了分析。分析了地下天线系统的基本要求。阐明了作为短波通信技术手段的地下天线系统应用的条件和依据,其中最主要的一点是极有可能对物体产生外部影响。因此,对地下天线的最重要的要求是高耐久性的要求。规定了该目标对一些项目的最低要求,包括:工作频率范围、标称输入电阻、最小行波系数、最大安装功率、辐射方式类型、方向性系数、增益系数、极化类型、组成部分参数要求、监测和管理要求,并且将维护和修理的方便性以及智能保护要求有关的局限性进行了解释说明。结果表明,对地下天线的要求是矛盾的。特别是,改善抵抗外部干扰的参数意味着发射系统的(位置)深度的增加,这反过来又导致了天线增益的降低。最常见的是在不可分离的单片介质屏蔽(孤立天线)中建立散热系统。在这种情况下,稳定性参数限制了结构参数的选择(包括沉积深度)和单片介质罩的材料的选择。另一方面,放置的保密性问题也相对简单地得到了解决,并且给出了在天线中安装匹配和平衡装置的必要性。天线系统保护装置的大致成分是合理的,使用非并联振动发射器作为散热系统的一部分具有很好得前景,包括旋转发射器。在低损耗(电导率趋于零)的介质中,地下天线的位置与排水系统在一起,可以显著地减缓腐蚀,从而延长这种天线的使用寿命。对地下天线系统建模与设计的基本方法和现有软件工具进行了分析。结果表明,电动力学分析方法有条件地分为三大类:精确的、近似的和组合的。常用的近似方法包括物理光学、几何光学、边缘波和衍射几何理论,分析结果表明,它们在这种情况下的应用前景不大。根据研究结果,提出了一种小体积、非定向辐射、两层振动结构的地下旋转天线底座散热器技术方案。初步估算了散热器的主要电气特性,考虑了由一组基本散热器组成的相控阵天线的变体和可能性。结果表明,基于4个基本辐射器和8个基本辐射器的二维(双线性)天线阵的结构是合理的。提出了一种地下天线系统设计方法,包括:底座及散热器的配置选择、对天线系统的布局区域分析、能量指标分析、基础散热器及其排列数的选择、关于计算散热器的几何参数的说明、服务方向分析、所需的幅相分布的测定,并做了一个关于天线系统的适应性决策。本次论文工作具有重要的实际意义,每一阶段的研究内容都得到了验证。作者开发的放置在耗散介质中的天线的电动力分析的数学模型和技术扩展了基于力矩的方法的种类。相比于昂贵的通用或专用软件包,我们开发的装置具有相当的竞争力,天线技术开发人员可以使用这种足够准确的计算工具来进行他们的工作。研究了通过施加恒定电位移场控制耗散介质,有希望创建性能有明显改善的地下天线系统。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN820

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