AFU_Lektsii
.pdf
При большом числе N этот результат статистически не зависит от амплитудного распределения. При подстановке числовых значений в уравнение (2.72) получаем:
|
p, бит |
|
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G, дБ |
|
1 |
0,23 |
0,06 |
|
|
|
|
|
|
||
Очевидно, что для устранения |
влияния дискретности установки фазы на G |
|||||
разрядность в 3 или 4 бит является вполне допустимой.
Необходимо заметить, что результаты расчетов по формуле (2.72) удивительно хорошо совпадают с результатами расчетов по формулам, приведенным в предыдущем параграфе.
2.16.3.Точность наведения луча при дискретном фазировании
Вмоноимпульсных РЛС точное определение направления на цель обеспечивается с помощью разностной ДН, следовательно, определенный интерес представляет оценка точности установки нулевого положения ДН. При использовании ФВ с квантованием фазы положение нуля может смещаться с дискретностью, зависящей от степени дискретности ФВ.
На рис.2.81 показана апертура с четным числом элементов N, с меж-элементным расстоянием d.
z |
θ |
|
−ψ |
|
. . . |
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
. . . |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
−ψ |
|
− |
|
|
|
|
|
|
ψ |
|
|
||||
|
N 2 |
2 |
ψ |
ψ |
ψ |
2 |
N 2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
||||
Рис.2.81. Линейная АР с четным числом элементов
Все элементы возбуждаются с одинаковой амплитудой. Фаза возбуждения противоположна для элементов, симметрично расположенных относительно центра, что обеспечивает получение разностной ДН
ì |
épd |
ù |
é3pd |
ù |
|
|||
F(q) = 2 jísinê |
|
sin q - y1 ú |
+ sinê |
|
sin q - y2 ú |
+ K |
||
l |
l |
|||||||
î |
ë |
û |
ë |
û |
|
|||
é(2n -1)pd |
ùü |
||
+ sinê |
|
sin q - y N / 2 úý. |
|
l |
|||
ë |
ûþ |
||
Для нулевого значения разностной ДН под углом θ0 имеем уравнение
N / 2 |
é(2n -1)pd |
|
ù |
|
||
|
|
|
||||
åsinê |
|
sin q0 |
- yn ú |
= 0. |
||
l |
||||||
n=1 |
ë |
|
û |
|
||
(2.73)
(2.74)
166
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Если все значения фаз примерно совпадают с величиной, необходимой для получения нулевого значения под углом θ0, то синус можно заменить на его аргумент. Tогда уравнение (2.74) упрощается:
|
|
4 |
|
N / 2 |
|
sin q0 |
= |
|
åyn . |
(2.75) |
|
p(d / l)N |
2 |
||||
|
|
|
n=1 |
|
Если приращения фазы, равные наименьшей величине дискретности 2π/2p, создавать в противофазе в любой паре излучающих элементов, то нулевое значение сдвигается на величину δθ, поэтому можно записать
dq × cos q0 = |
4 |
× |
2p |
. |
(2.76) |
p(d / l)N 2 |
|
||||
|
|
2 p |
|
||
Следует отметить, что смещение нулевого значения не зависит от положения излучающих элементов и фаза в любой симметричной паре излучающих элементов может изменяться с одинаковой эффективностью. Уравнение (2.76) можно выразить через ширину луча с использованием известного соотношения
Dq0,5ск = |
51o l |
, |
|
dN cos qск |
|||
|
|
где Dq0,5ск - ширина луча антенной решетки в направлении сканирования. Тогда
dq |
= |
9 |
. |
(2.77) |
Dq0,5ск |
N × 2 p |
2.16.4. Влияние фазовых искажений на параметры линейной антенной решетки
Из-за несовершенства конструкций делителей мощности и ошибок изготовления элементов антенной системы линейность фазового распределения возбуждения искажается, что ведет к нарушению формы ДН и снижению КНД. Различают систематические и случайные фазовые искажения. Распределение систематических фазовых искажений обычно является гладким, его представляют в виде степенного ряда
I (x) = I0 (x) × exp j[F(x) - Fn0 (x)] ,
167
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
где I0 (x) - амплитуда распределения; Φn0 (x) - фазовое распределение, обеспечивающее сканирование; Φ(x) - распределение фазовой ошибки возбуждения.
Φ(x) = Φ1 (2x / L) + Φ 2 (2x / L)2 + Φ3 (2x / L)3 + K
Константы Ф1, Ф2, Ф3 представляют собой максимальное значение фазовой ошибки степени n на краю антенны при x = L/2.
Линейные фазовые искажения возникают при фазировании в антенной решетке тогда, когда ее центральное положение не откалибровано (повернуто). В этом случае происходит поворот ДН решетки относительно нулевого положения в сторону края антенны, получившего дополнительное запаздывание (рис.2.82).
ДН 2
Φ
Φ1
− L
2
L
2 x
θo
Рис.2.82. Влияние линейных фазовых искажений на ДН решетки
Квадратичные фазовые искажения наиболее часто встречаются в коротких рупорных антеннах и параболических зеркальных антеннах при осевом смещении облучателя из фокуса параболоида, а также при деформировании зеркал. Квадратичные фазовые искажения не вызывают смещения ДН, однако приводят к расширению главного лепестка и заплыванию минимумов излучения. Так, для равномерного амплитудного возбуждения при Ф2 > π наблюдается даже раздвоение главного лепестка (рис.2.83). При спадающем амплитудном распределении эффект уменьшается.
ДН 2 |
3 |
π |
|
|
2 |
|
Φ |
|
|
|
|
|
Φ2 |
= π |
Φ2 |
|
|
|
|
|
π 2 |
− L 2 |
L 2 x |
|
|
|
|
|
a |
θo |
б |
|
|
Рис.2.83. Влияние квадратичных фазовых искажений на ДН решетки
168
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Кубичные фазовые искажения встречаются в параболических зеркальных антеннах при смещении облучателя из фокуса в боковом направлении. В случае такого вида искажения происходит смещение максимума ДН в сторону края антенны с дополнительным фазовым запаздыванием (рис.2.84), однако этот сдвиг приблизительно в 1,7 раза меньше, чем при линейной ошибке. При этом форма ДН искажается так, что главный лепесток становится несимметричным, боковые лепестки по одну сторону увеличиваются, а по другую - уменьшаются, причем рост боковых лепестков происходит в том направлении, в котором отклоняется главный лепесток.
π 2 |
ДН |
2 |
|
|
|
Φ3 = π |
|
Φ |
|
|
|
|
|
Φ3 |
|
|
− L 2 |
L
2 x
θo
Рис.2.84. Влияние кубичных фазовых искажений на ДН решетки
2.17. Многолучевые антенные решетки. Классификация многолучевых антенн и способы их построения
Одной из актуальных проблем современной антенной техники является построение многофункциональных пассивных и активных антенных систем, обеспечивающих высокоэффективную работу различных радиотехнических комплексов. Возможный путь реализации таких антенных систем состоит в использовании многолучевых антенн (МА). Интерес к МА определяется их способностью формировать в пространстве веер ДН, каждой из которых соответствует определенный входной канал.
Возможность применения МА в различных радиотехнических комплексах определила развитие их теории и техники. Наиболее простой путь построения многофункциональных антенных систем заключается в рациональном сочетании основных достоинств многолучевых и однолучевых устройств. Примером является использование многолучевых антенных решеток (МАР) в РЛС бокового обзора. В сочетании с ФАР МАР позволяют существенно расширить возможности ФАР и улучшить характеристики направленности. В частности, использование МАР в качестве излучающего элемента ФАР приводит к возможности сканирования несколькими
169
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
независимыми лучами или к существенному расширению сектора однолучевого сканирования.
Применение диаграммообразующих схем (ДОС) пассивных МАР позволяет решать задачи создания активных МАР.
Функциональная схема МА приведена на рис.2.85.
Входы |
|
|
|
ДОС |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
. |
|
|
. |
||
|
|
. |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Излучающая часть
Рис.2.85. Функциональная схема многолучевой антенны
Она включает излучающую часть, которая может быть выполнена в виде антенной решетки или раскрыва апертурной антенны, ДОС - основной элемент функциональной схемы, предназначенный для формирования требуемого амплитудно-фазового распределения поля в излучающей части МА, и входы антенны, представляющие собой поперечные сечения каких-либо линий передач с единственным распространяющимся типом волны.
Можно выделить два крупных класса МА по способу реализации излучающей части: апертурные и решетки. Апертурные МА обычно реализуются на основе антенн оптического типа - линзовых (рис.2.86,а,б) или зеркальных (рис.2.86,в).
1 |
1 |
|
2 |
||
2 |
||
3 |
3 |
|
|
||
a |
б |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
3 |
в
Рис.2.86. Типы апертурных многолучевых антенн
Основное достоинство апертурных МА - простота конструкции. Недостатком таких антенн является невозможность получить высокий уровень пересечения соседних лучей с сохранением высокой степени развязки между входными каналами. Известно, что входы МА без потерь развязаны только в том случае, если формируемые ею ДН ортогональны.
170
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Для нормирования ДН Fm(Θ,ϕ) и Fn(Θ,ϕ), соответствующих m-му и n-му входам МА, справедливо соотношение
π 2 π |
ì0, при m ¹ n, |
|
|||
|
ï |
4 π |
|
(2.78) |
|
ò òFm (Q, j)Fn* (Q,j)sin Qd Θ dj = í |
, при m = n, |
||||
|
|
||||
0 0 |
ï |
Дm |
|
||
|
î |
|
|||
где Дm - КНД МА в направлении максимума m-й ДН. Условие ортогональности (2.78) лучей определяет уровень их пересечения.
Указанный недостаток апертурных МА вызван сложным конструктивным выполнением системы облучателей, обеспечивающих ортогональное формирование ДН. Кроме того, для таких антенн характерно незначительное количество формируемых лучей и низкий коэффициент использования площади (КИП). Эти недостатки определяют большие геометрические размеры апертурных МА. Все перечисленные недостатки значительно ограничивают возможность использования МА оптического типа для построения многофункциональных антенных систем. Здесь следует особо отметить вариант построения МА на основе плоской апланатической линзы, которая позволяет реализовать до нескольких сотен независимых лучей.
В настоящее время известно большое количество практических схем МАР на основе матричных ДОС. Наиболее распространенными являются МАР на основе параллельной ДОС (матрица Батлера) и последовательной ДОС (матрица Бласса).
2.17.1. Последовательная ДОС (матрица Бласса)
Последовательная ДОС состоит из двух взаимно пересекающихся систем линий передач, связанных в местах пересечения НО со слабой связью (рис.2.87).
. . .
Входы
t1 |
t1 |
t1 |
t1 |
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
3 . |
|
|
|
. |
|
|
|
. |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
. . . |
|
|
а |
|
a << 1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1− a2 e− j π 2 |
|
|
|
б |
|
|
N |
F(Θ) 3 2 |
1 |
|
. . . . |
|||
|
|||
|
|
вΘ
Рис.2.87. Многолучевая антенная решетка на основе матрицы Бласса: а - схема решетки; б - принцип работы НО; в - многолучевая ДН решетки
171
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Выходы вертикальных линий присоединены к излучателям, входы горизонтальных и наклонных линий являются входами антенны. Свободные концы линий нагружены на согласованные поглотители (нагрузки).
Пусть источник колебаний подключен к входу 1 антенной системы. Высокочастотная мощность распространяется по горизонтальной линии передачи, частично ответвляясь в каждом пересечении в сторону излучателя. Излучатели антенной решетки оказываются возбужденными с линейным фазовым распределением. Коэффициент замедления фазовой скорости зависит от длины линии задержки (фиксированный фазосдвигатель), установленной на входе излучателя. Если коэффициент в НО одинаковый, то амплитудное распределение возбуждения экспоненциально спадает к правому концу решетки, причем некоторая часть мощности (10 ÷ 20%) поглощается в оконечной нагрузке. Вся остальная мощность идет на формирование остронаправленного излучения с установкой главного максимума в направлении 1 (см. рис.2.87). Другие входы антенной системы и согласованные нагрузки остаются невозбужденными. Таким образом, с входа 1 МА работает как простая линейная решетка, возбуждаемая по последовательной схеме от горизонтальной линии передачи через НО.
Пусть теперь источник колебаний подключен к входу 2 антенной системы. Так как идущий от входа 2 тракт имеет наклон по отношению к первому тракту, то на излучателях решетки создается распределение возбуждения с иным коэффициентом замедления фазовой скорости и возбуждение левых излучателей происходит с дополнительным запаздыванием по отношению к правым излучателям. Поэтому в пространстве появляется остронаправленное излучение с ориентацией главного максимума в направлении 2 (см.
рис.2.87).
При возбуждении входа 2 мощность, распространяющаяся в вертикальной линии передачи в сторону излучателей, проходит через ряд НО верхнего этажа ДОС. Вероятно, это должно ослабить мощность, поступающую к излучателям, а кроме того, должна появиться волна, движущаяся вправо в горизонтальном тракте верхнего этажа, часть мощности которого может теряться в нагрузке. На этом основании можно было бы ожидать ухудшения КПД второго луча по отношению к первому и точно так же третьего по отношению к второму и т.д. Однако имеется благоприятный фактор, который мешает проявлению этих нежелательных последствий. Горизонтальные тракты верхних этажей возбуждаются одновременно многими расфазированными сигналами нижних этажей, причем расфазирование вызвано взаимным наклоном соседних горизонтальных линий. При достаточном смещении максимумов соседних лучей (не менее ширины одного луча
172
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
по половинной мощности) сумма ответвившихся расфазированных сигналов в согласованных нагрузках верхних этажей оказывается близка нулю. Поэтому верхние этажи практически не уменьшают мощности, идущей к излучателям от нижних этажей, и только создаются небольшие искажения амплитудно-фазового распределения возбуждения излучателей решетки. Расчеты показывают, что вследствие влияния верхних этажей амплитудное распределение в раскрыве решетки для всех входов, кроме верхнего, выравнивается, а фазовая ошибка, т.е отклонение фазы от линейного закона, хотя и увеличивается для нижних входов, но в целом остается незначительной. Аналогичное рассмотрение можно провести для каждого последующего входа.
Итак, с помощью последовательной ДОС имеется возможность создать систему одновременно существующих и не взаимодействующих между собой остронаправленных лучей, причем их число не должно превышать числа элементов решетки (во избежание снижения КПД решетки). Такие схемы применяются в аэродромных РЛС (в секторе углов места 0,5 ÷ 40º располагается до 110 независимых лучей).
Достоинством последовательной ДОС является возможность ее реализации при любом числе элементов решетки и такого подбора длин линий на входе излучателей и между НО, при котором направления лучей не зависят от частоты. Недостаток последовательной ДОС состоит в слишком большом числе НО и снижении КПД из-за потерь мощности в нагрузках.
2.17.2.Параллельная ДОС (матрица Батлера)
Впараллельной ДОС прохождение мощности от каждого входа МАР к излучателям решетки напоминает прохождение мощности в схеме двоично-этажного питания, т.е. в схеме типа "елочка". Рассмотрим действие параллельной ДОС на конкретном примере, ограничивающем число излучателей эквидистантной линейной решетки восемью (рис.2.88).
Основным строительным элементом ДОС является квадратурный трехдецибельный НО. В каждом НО мощность с любого нижнего входа поровну распределяется между верхними выходами с дополнительной задержкой по фазе π/2 при прохождении мощности "по диагонали" НО. Наряду с НО в параллельной ДОС используются фиксированные фазо-сдвигатели (линии задержки), показанные квадратами с вписанными в
173
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
|
|
|
0 |
–π/2 |
|
|
|
|
|
|
3 дБ |
|
|
–π/4 |
–π/4 |
–π/4 |
–π/4 |
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
–3π/8 |
–π/8 |
–π/8 |
–3π/8 |
F(Θ) |
|
|
|
|
|
3л |
2л 1л 1п |
2п |
3п |
|
|
|
4л |
|
|
4п |
4л 3л 2л 1л 1п 2п 3п 4п |
|
|
Θ |
|||
|
|
а |
|
в |
|
|
Рис.2.88. Многолучевая антенная решетка на основе матрицы Батлера: а - схема решетки; б - принцип работы НО; в - многолучевая ДН решетки
них величинами фазовой задержки в радианах. Электрические длины всех остальных отрезков линий передачи можно считать нулевыми. При возбуждении любого входа мощность делится поровну между всеми излучателями решетки и все нижние входы оказываются развязаны между собой и согласованы. На излучателях создаются линейные фазовые распределения возбуждения.
Множитель направленности при возбуждении входа параллельной ДОС с номером m имеет вид:
|
|
Fm = |
sinψm |
|
, |
(2.79) |
|
|
N sin(ψm |
N) |
|||
|
|
|
|
|
||
где ψm = 0,5N β d(cosΘ − |
ΔΦm |
) ; Φm - фазовый сдвиг между двумя любыми соседними |
||||
|
||||||
|
β d |
|
|
|
|
|
излучателями; N - число излучателей; d - шаг решетки; β = 2π/λ; Θ - угол, отсчитываемый от оси решетки. Фазовый сдвиг между соседними излучателями в общем случае определяется формулой
Φm ± [π + 2π(m – 1)]/N, m = 1, 2,…,N/2, |
(2.80) |
где знак "+" берется для правых входов и знак "–" - для левых. Положение максимума излучения отдельных лучей находится из соотношения cosΘm = Φm/(βd). Пользуясь
174
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
приведенными формулами, можно установить, что любые два луча пересекаются между собой на уровне ~ (–3,92 дБ). Положение лучей показано на рис.2.88. Параллельная ДОС выгодно отличается от последовательной, во-первых, принципиальным отсутствием поглощающих элементов, во-вторых, идеальным равноамплитудным и линейным фазовым распределением возбуждения, в-третьих, гораздо меньшим числом НО (всего (N/2)log2N вместо N2 в последовательной схеме при N лучах). Однако параллельная ДОС относительно проста только при числе элементов решетки N = 2p, где p - целое число. Определенным недостатком параллельной схемы является также изменение положения лучей в пространстве при изменении частоты.
2.18. Антенны с обработкой сигнала как основное направление развития. Адаптивные антенные решетки
Прием сигнала с помощью многоэлементной антенной решетки в течение длительного времени остается одним из основных методов решения сложных задач обнаружения и оценивания, так как в отношении формирования ДН система с решеткой обладает несомненными преимуществами перед системой с одноэлементным датчиком. Создание системы с АР, осуществляющей автоматическую подстройку характеристик в соответствии с изменением условий приема сигнала, стало возможным при появлении недорогих мини-ЭВМ, позволяющих реализовать на их основе известные результаты теории обнаружения, оценивания и управления. Способность к адаптации делает работу системы с АР более гибкой и, что очень важно, позволяет повысить эффект приема.
Обычные системы чувствительны к уменьшению отношения сигнал/шум (ОСШ), обусловленного неизбежным присутствием наряду с полезным сигналом нежелательных "шумовых" сигналов, поступающих на вход по главному или боковым лепесткам ДН антенны. Эти сигналы могут создаваться передатчиками помех и другими источниками шума, отражением от местных предметов, Земли. Уменьшение ОСШ, кроме того, может быть обусловлено движением антенны, неудачной ее установкой, эффектами многолучевого распространения и изменением помеховой ситуации.
Основная причина интереса к адаптивным АР (ААР) заключается в способности таких систем без априорной информации о помеховой ситуации автоматически обнаруживать присутствие источников помех и подавлять их сигнал на входе, улучшая тем самым прием полезного сигнала.
В системах с ААР могут дополнительно применяться другие методы подавления помех, при этом результирующий эффект гораздо выше, чем при обычных широко известных
175
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com