Микрополосковая антенна

ЗМІСТ

 ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ  СКОРОЧЕНЬ…………………………………….

 ВСТУП……………………………………………………………………………...

1 ОГЛЯД СУПУТНИКОВОЇ РАДІОНАВІГАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ GPS, МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН ТА МЕТОДІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОГО АНАЛІЗУ…………………………………………………………………………..

1.1 Супутникова радіонавігаційна система GPS.

1.2 Мікросмужкові антени.

1.3 Методи електродинамічного  аналізу.

1.4 Антенні решітки.

2.МОДЕЛЮВАННЯ ОКРЕМИХ ПРОФІЛЬОВАНИХ ЩІЛИННИХ

АНТЕН В СЕРЕДОВИЩІ CST MICROWAVESTUDIO………………………..

  2.1 Антена з квадратним профілем………………………………………

  2.2 Антена з коловим профілем………………………………………….

  2.3 Антена з кільцевим профілем…………………………………………        

  2.4 Висновки.

3.ДОСЛІДЖЕННЯ РЕШІТКИ МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН РОЗМІРАМИ 2х2.

             3.1 Решітка на основі мікросмужкової антен з квадратним профілем.

             3.2 Решітка на основі мікросмужкової антен з коловим профілем.

             3.3 Решітка на основі мікросмужкової антен з кільцевим профілем.

             3.4 Висновки.

ВИСНОВКИ………………………………………………………………………...

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

 

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ СКОРОЧЕНЬ

МСА – мікросмужкова антен

КСД – коефіцієнт спрямованої  дії

КСХН – коефіцієнт стоячої  хвилі за напругою

АР – антенна решітка

ЦАР – цифрова антенна  решітка

ЦДУ – цифрове діаграмо утворення

ССЗ – супутникова система  зв’язку 

ППМ – приймально-передавальний  модуль

ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач

АЦП – аналого-цифровий перетворювач

МШУ – мало шумний підсилювач

АФАР – активна фазована антенна решітка

ССМЗ – супутникова  система мобільного зв’язку 

FDTD– finite-difference time-domain method

FEM – finite element method 

FIT – finite integrationtechnique

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

    На даному етапі  розвитку науки і техніки ,велику  увагу приділяють інформаційним  технологіям та телекомунікації,  які  потребують постійного  удосконалення способів зв’язку,  бездротових методів передачі  інформації, навігаційних приладів  та мініатюризацію використовуваної  апаратури. Мікросмужкові патч антени найшли широке застосування в базових станціях мобільного, бортових системах супутникового зв’язку. Тому існує  необхідність розробки  таких мікросмужкових антенн, які б відповідали умовам приймальної апаратури та масогабаритним показникам.

        Метою роботи є створення моделі багатоканальної плоскої антенної решітки для прийому сигналів GPS на основі квадратного, колового та кільцевого профілю випромінювача. Для цього за результатами огляду обирається конкретна форма мікросмужкового випромінювача та метод подачі живлення, проводиться комп’ютерне моделювання антени.

Актуальність  теми роботи полягає в тому, що на сьогоднішній день все більше знаходять застосування мікросмужкові антени, які постійно удосконалюються. “Розумні” антени – це майбутнє систем передачі інформації. Проектування антенних решіток на основі таких антен є актуальним в наш час, тому що, такі системи будуть набагато завадо захищені, надаватимуть якісніший зв'язок та забезпечуватимуть краще покриття. З допомогою цифрової обробки сигналів стане можливим придушувати перешкоди на високому рівні, що в свою чергу покращить якість інформації.

Основною задачею роботи є дослідження різних профілів  мікросмужкових антен, доцільність використання цих профілів в антенних решітках та визначення впливу елементів на загальні характеристики АР. Методом дослідження є метод кінцевих різниць у часовій області (FDTD). Моделювання проводиться в програмному середовищі CST Microwave Studio.

Практичне значення отриманих результатів полягає в оцінці моделей АР з різними видами випромінювачів та висновки, який з профілів мікросмужкових антен найкраще використовувати в антенній решітці.

Бакалаврська  робота містить три розділи. В  першому розділі здійснено огляд  супутникової радіонавігаційної системи  GPS, типів мікросмужкових випромінювачів, методів електродинамічного аналізу та антенних решіток. В другому розділі приведені створені моделі обраних видів мікросмужкових випромінювачів, а саме, квадратного, круглого та кільцевого. Досліджена чутливість характеристик цих антен до зміни їх геометрії. В третьому розділі приведені антенні решітки, які побудовані на обраних профілях патч антен,  досліджено як елементи в антенній решітці впливають один на одного, а саме, як змінюються характеристики кожного елемента по відношенню до характеристик окремої патч антени. Матеріал роботи викладено на 101 сторінці, містить 88 рисунків, перелік посилань на 14 джерел.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.   ОГЛЯД СУПУТНИКОВОЇ РАДІОНАВІГАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ GPS, МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН ТА МЕТОДІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОГО АНАЛІЗУ.

1.1  Супутникова  радіонавігаційна система GPS.

     Ідея створення супутникової навігації народилася ще в 50-і роки. Американські вчені на чолі з Ричардом  Кершнером, спостерігаючи за сигналом, що виходить від супутника, виявили, що завдяки ефекту Доплера частота прийнятого сигналу збільшується при наближенні супутника й зменшується при його віддаленні. Суть відкриття полягала в тому що, якщо точно знати свої координати на Землі, то стає можливим виміряти положення й швидкість супутника, і навпаки, точно знаючи положення супутника, можна визначити власну швидкість і координати.  Реалізовано цю ідею було через 20 років. В 1973 році була ініційована програма DNSS, пізніше назва змінена на Navstar-GPS і потім в GPS. Перший тестовий супутник виведений на орбіту 14 липня 1974 р. США, а останній із всіх 24 супутників, необхідних для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 р., таким чином, GPS встала на озброєння. Стало можливим використати GPS для точного наведення ракет на нерухомі, а потім і на рухливі об'єкти в повітрі й на землі [1].  

Сигнали системи GPS містять  у собі сигнали, необхідні для  визначення відстані до супутника, і  навігаційні повідомлення. Навігаційні  повідомлення містять інформацію про  ефемериду, що необхідна, щоб обчислити  положення супутника на орбіті,  і дані про час і поточний стан супутникового угруповання.

З моменту створення системи GPS були розроблені два коди. Грубий код, що має позначення C/A (варіанти розшифровки: «clear/access» – вільний доступ або «coarse/acquisition» - грубе отримання), і точний Р-код («private» – приватний або «precise» – точний). Грубий код загальнодоступний, а точний зашифрований і використається у військових цілях.  Обидва ці коди є псевдовипадковими (PRN або PseudoRandom Number code) і служать для ідентифікації кожного супутника.

Код C/A являє собою псевдовипадкове  число довжиною 1 023 біт, що повторюється кожну мілісекунду, тобто зі швидкість 1.023 Мб/с. Псевдовипадкові коди збігаються тільки в тому випадку, якщо генеруються однаковим чином. Кожен супутник передає свій PRN-код, який не можна сплутати із сигналами іншого супутника. У цьому випадку використається принцип CDMA (множинний доступ з кодовим поділом каналів). Всі супутники передають сигнали на одній частоті, але GPS-приймач визначає завдяки коду супутник-джерело сигналу.

Р-код також є кодом PRN, але має істотні відмінності. По-перше, його довжина становить 6 187 100 000 000 біт. Послідовність P-коду повторюється тільки щотижня. Однак для того щоб використовувати точний код спочатку необхідно отримати код С/А, тільки після цього можлива синхронізація з військовим кодом. По-друге, для того щоб виключити неправомірне використання P-кода, він модулюється і в результаті з’являється код Y, який і передається супутниками. Саме тому точний код називають P(Y).

Ці коди також модулюються  з метою одержання радіосигналів  потрібної частоти. Несучими є частота L1 рівна 1575.42 МГц (10.23 МГц×154) і L2 - 1227.60 МГц (10.23 МГц×120). Передача сигналів на двох частотах є надлишковою і збільшує імовірність одержання хоча б одного з них. Крім того, одержуючи сигнали на двох частотах, можна обчислити іоносферну складову помилки сигналу і підвищити точність навігації. Поки що це доступно тільки для військових, але незабаром очікується поява і цивільного сигналу на частоті L2.

Одержання псевдокоду допомагає визначити відстань до супутника, що посилає радіосигнал. Приймач синхронно із супутником генерує такий же псевдовипадковий код. Коли GPS-навігатор одержує сигнал, то він порівнює ці коди між собою. Тобто приймач визначає, коли він генерував такий же код. Різниця в часі дозволяє визначити, коли код був посланий супутником, а, отже, за який час сигнал досяг спостерігача. Отриманий час множиться на швидкість поширення радіосигналу у вакуумі (299 792 458 м/с). Подібні обчислення виконуються для кожного супутника, що  перебуває в полі видимості приймача, корегуються, і робиться остаточний розрахунок географічних координат та інших параметрів.

Крім псевдовипадкового  коду приймач одержує спеціальне навігаційне повідомлення. Навігаційне  повідомлення складається із трьох  частин: перша частина містить у собі дату і час GPS, інформацію про стан супутника; друга частина дозволяє визначити положення супутника на орбіті і називається ефемеридними  даними; третя частина одержала назву альманах і містить інформацію про всі супутники, їхнє розташування та номер PRN. Ефемеридна інформація більш точна і оновлюється кожні 4 години. Альманах - це більш загальні дані, які дійсні протягом 6 місяців. Навігаційне повідомлення має розмір 1500 біт.

У плані модернізації GPS передбачена  поява нових сигналів: військового M-коду, цивільного L2C, особливо точні  сигнали на частоті L5, поліпшення цивільного сигналу на частоті L1. Все це допоможе зробити систему більш надійною [2].

Застосування GPS сигналів.

Незважаючи на те, що споконвічно проект GPS був спрямований на військові цілі, сьогодні GPS всі частіше використаються в цивільних цілях. GPS-приймачі продають у багатьох магазинах, що торгують електронікою, їх вбудовують у мобільні телефони, смартфони, КПК. Споживачам також пропонуються різні пристрої і програмні продукти, що дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті; що мають можливість прокладати маршрути з урахуванням дорожніх знаків, дозволених поворотів і навіть пробок; шукати на карті конкретні будинки й вулиці, визначні пам'ятки, кафе, лікарні, автозаправки та інші об'єкти інфраструктури.

• Геодезія: за допомогою GPS визначаються точні координати границі земельних ділянок.
• Картографія: GPS використається в цивільній і військовій картографії
• Навігація: с застосуванням GPS здійснюється як морська, так і дорожня навігація.
• Супутниковий моніторинг транспорту: за допомогою GPS ведеться моніторинг за положенням, швидкістю автомобілів, контроль за їхнім рухом.
• Мобільний зв’язок: перші мобільні телефони з GPS з'явилися в 90-х роках. У деяких країнах, наприклад США це використається для оперативного визначення місцезнаходження людини, що дзвонить 911. У Росії в 2010 році почата реалізація аналогічного проекту —ГЛОНАСС.
• Тектоніка, Тектоніка плит: за допомогою GPS ведуться спостереження рухів і коливань плит.
• Активний відпочинок: є різні ігри, де застосовується GPS, наприклад, Геокешинг і ін.
• Геотегінг: інформація, наприклад фотографії «прив’язуються» до координат завдяки вбудованим або зовнішнім GPS-приймачам [2].

Точність.

      Типова точність сучасних GPS-приймачів у горизонтальній площині становить приблизно 6-8 метрів при гарній видимості супутників і використанні алгоритмів корекції. На території США і Канади є станції WAAS, які передають поправки для диференціального режиму, що дозволяє знизити похибку до 1-2 метрів на території цих країн. При використанні більш складних диференційних режимів, точність визначення координат можна довести до 10 см. На жаль, точність будь-яких СНС сильно залежить від відкритості простору, від висоти використовуваних супутників над обрієм.

      Найближчим часом всі апарати нинішнього стандарту GPS будуть замінені на більше нову версію GPS IIF. GPS IIF забезпечує набагато більш високу точність визначення координат. Якщо нинішні супутники забезпечують похибку 6 метрів, то нові супутники будуть здатні визначати місце розташування, як очікується, з точністю не більше 60–90 см. Якщо така точність буде не тільки для військових, але й для цивільних застосувань, то це приємна новина для користувачів і власників GPS-навігаторів.

У цей момент на орбіту виведений  поки тільки один супутник GPS IIF SV-1, що працює в повноцінному режимі з 27 серпня 2010 року. Другий супутник SV-2 запустять  цього року[2].

Усього первісний контракт передбачав запуск 33 супутників GPS нового покоління, але потім через технічні проблеми початок запуску перенесли з 2006 року на 2010 рік, а кількість супутників зменшили з 33 до 12. Всі вони будуть виведені на орбіту найближчим часом. Підвищена точність супутників GPS нового покоління стала можливою завдяки використанню більше точних атомних годинників. Оскільки супутники переміщаються зі швидкістю близько 14000 км/год, підвищення точності часу навіть у шостому знаку є критично важливим для тріангуляції.

Недоліки.

      Загальним недоліком використання будь-якої радіонавігаційної системи є те, що за певних умов сигнал може не доходити до приймача, або приходити зі значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири усередині залізобетонного будинку, у підвалі або в тунелі. Тому що робоча частота GPS лежить у дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу від супутників може серйозно погіршитися під щільним листям дерев або через дуже велику хмарність. Нормальному прийому сигналів GPS можуть зашкодити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бурь.

Невисоке нахилення орбіт GPS (приблизно 55) серйозно погіршує точність у приполярних  районах Землі, тому що супутники GPS невисоко піднімаються над горизонтом.