По результатам расчётов было проведено моделирование в программном продукте CST Studio. Моделирование продемонстрировало, что расчёты матрицы Батлера верны и система работает как и ожидалось. При переключении портов мы наблюдаем изменение направления диаграммы направленности, и усиление направленного действия антенной решётки до 13,6 дБи. Что является неплохим результатом. Так же стоит отметить изменение ширины диаграммы направленности по половинной мощности (3 дБ). Она не является стабильной и при смене питающего порта, диаграмма направленности меняет не только своё направление, но и свою форму.

В частности можно рассматривать различные антенные решётки, т.к. они не встроены в систему и являются модульными. Таким образом можно уменьшить или увеличить азимутальные углы, и угол места, в зависимости от поставленной задачи, что делает данную систему очень перспективной в развитии.

Заключение

В данной работе были рассмотрены требования организации канала связи с БПЛА, представлен теоретический исследовательский проект по изучению интеллектуальных антенн и методов формирования диаграммы направленности антенной решетки. Были проанализированы существующие типы антенных систем: подвижные (? 2 степеней свободы), полустатические (1 степень свободы), неподвижные (без степеней свободы). Выявлены их сильные и слабые стороны. Произведён сравнительный анализ методом экспертной оценки. По результатам анализа наиболее подходящим типом была выбрана подвижная антенная система. С целью избавиться от недостатков подвижной системы была спроектирована многолучевая антенная решётка, на основе матрицы Батлера для f=5 ГГц.

Произведён расчёт компонентов матрицы Батлера, и их моделирование. В качестве диэлектрика был выбран FR4, с диэлектрической проницаемостью =4,5, и высотой h=1,5 мм. В итоге была полностью промоделирована вся антенная система. Результаты моделирования показали перспективность развития данного направления, т.к. антенная решётка на основе матрицы Батлера позволяет изменять направление диаграммы направленности, при этом избегая проблем сопутствующих фазированной антенной решётки, но достигает улучшенных характеристик коэффициента усиления диаграммы направленности. Так же разработанная антенная система является модульной, что значительно увеличивает область её применения, поскольку антенную решётку можно заменить на более подходящую в зависимости от поставленной задачи.

Направление дальнейших исследований

Перспективы развития данной антенной системы довольно высоки. В ближайшем бедующем планируется изготовить макет и провести испытания антенной системы. В дальнейшем ожидается модернизация матрицы Батлера, а точнее переход с матрицы 4х4, на матрицу 8х8, что позволит увеличить коэффициент усиления диаграммы направленности каждой антенной решётки. А также улучшить характеристики антенной решётки, для улучшения качества сигнала и точности определения координат БПЛА. Ориентировочный вид антенной системы покрывающей азимутальный угол 360^о представлен на рисунке 21.

Рисунок 21. Антенная система на основе 8х8 матрицы Батлера

Библиографический список

1. Jack Winters, Smart Antennas for Wireless Systems, IEEE Personal Communications, p. 23-27, Feb. 1998.

2. Siti Zuraidah Ibrahim and Mohamad Kamal A.Rahim Switched Beam Antenna using Omnidirectional Antenna Array, Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics Proceedings 2007, Malaysia.

3. Siti Rohaini Ahmad and Fauziahanim Che Seman, 4-Port Butler Matrix for Switched Multibeam Antenna Array IEEE, Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics Proceedings, December 2005, Johor, Malaysia, December 20-21.

4. D. C. Chang, S. H. Jou. `The study of Butler Matrix BFN for four beams antenna system', IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium, volume 4, pp. 176-179, 2003.

5. Pozar D.M: Microwave Engineering, Third edition, Wiley, 2005.

6. Fooks E.H. Microwave engineering using microstrip circuits, Prentice Hall New York 1990.

7. Боев Н.М., Шаршавин П.В., Нигруца И.В. Построение систем связи беспилотных летательных аппаратов для передачи информации на большие расстояния // Известия ЮФУ. Технические науки. № 3 (1152), 2014. - С. 147-158.

8. Austin R. Unmanned Aircraft Systems: UAVS Design, Development

9. Боев Н.М. Анализ командно-телеметрической радиолинии связи с беспилотными летательными аппаратами// Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф.Решетнева. Выпуск 2 (42) / гл. ред. д.т.н. Ковалев И.В. - Красноярск: СибГАУ, 2012. - С.86-91.

10. Bianchi L., Battaini C., Scuzzola G.L., Crovari E. Integrated Data Link for UTA Applications: Design Considerations and Development Results// MARCONI S.p.A, Defence Division - Guided Systems Via Negrone 1 A - 16153 GENOA ITALY.

11. Barnard J. Small UAV command-control and communication issues// IEEE on communicating with UAV's. 2007. P. 75-85.

12. Haas E. Aeronautical channel modeling// IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2002. V. 51. № 2. P. 254-264.

13. W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, New York, 1981.

14. Ehyaie Danial. Novel Approaches to the Design of Phased Array Antennas. URL: http://www.eecs.umich.edu/radlab/html/NEWDISS/Ehyaie.pdf (дата обращения: 20.01.2017).

15. MiniCircuits, Narrow Band Phase Shifter, Datasheet. URL: http://www.minicircuits.com/pdfs/JSPHS-1000.pdf (дата обращения: 04.02.2017).

16. MiniCircuits, Surface Mount Frequency Mixer, Datasheet. URL: http://www.minicircuits.com/pdfs/ADE-30.pdf (дата обращения: 04.02.2017).

17. MATIN M.A., SAYEED A.I., A Design Rule for Inset-fed Rectangular Microstrip Patch Antenna, Department of Electrical Engineering and Computer Science North South University Plot 15, Block B, Bashundhara, Dhaka 1229 Bangladesh

18. A. W. Rudge, et al., ed., The Handbook of Antenna Design, Vol. 2, Peter Peregrinus, London, 1983.

19. J. Litva and T. K.-Y. Lo, Digital Beamforming in Wireless Communications, Artech House, Boston, 1996.

20. Adamidis G.A. and Vardiambasis I.O., Design and implementation of a 4x4 Butler-matrix switched-beam antenna array at the MCEMA Lab of the T.E.I. of Crete, pp. 374-379, Proceedings of the 2005 WSEAS International Conference on Engineering Education (EE'05), Athens, Greece, 8-10 July 2005.

21. P. W. Howells, “Intermediate frequency sidelobe canceller,” Technical report, U.S. Patent 3202990, May 1959.

22. S. Applebaum, “Adaptive arrays,” Technical Report SPL TR-66-001, Syracuse Univ. Res. Corp. Report, 1965.

23. J. Butler and R. Lowe, “Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas,” Electronic Design, pp. 170-173, April 12, 1961.

24. Tayeb. A. Denidni and Taro Eric Libar, Wide Band Four-Port Butler Matrix for Switched Multibeam Antenna Arrays, The 14th IEEE 2003 International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings, pp.2461-2464, 2003.

25. Wight, J S., Chudobiak W. J., The microstrip and stripline crossover structure IEEE trans. On microwave theory and techniques, May 1976, p-270.

26. Nhi T. Pham, Gye-An Lee and Franco De Flaviis, Microstrip Antenna Array with Beamforming Network for WLAN Application , Department of Electrical and Computer science, University of California,USA.

27. Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. - М. Издательство МЭИ, 2011, 155 с.

28. Юрцев О.А., Бобков Ю.Ю., Кизименко В.В., Юбко А.П., Герасимович Г.В. Моделирование антенн в режимах излучения и рассеяния в пакетах CST Studio, HFSS, FEKO и узкоспециализированных прогрммах. - Минск, БГУИР, 2012, 61 с.

29. Adamidis G.A., Development of simple smart array systems, Diploma Thesis, Physics Dept., Aristotle Univ. of Thessaloniki, 2002.

30. Adamidis G.A. and Vafiadis E., Development of simple smart array systems, Technical Report no.89, Aristotle Univ. of Thessaloniki, 2002.

Размещено на Allbest.ru