AFU_Lektsii
.pdfпо обработке сигнала - такие антенны образуют класс многолучевых антенн, в апертуре которых одновременно создается набор фазовых распределений.
Стремление повысить точность измеряемых угловых координат в РЛС привело к широкому использованию класса моноимпульсных антенн, в которых с одного раскрыва вместо одного луча (и соответственно одного входа) одновременно формируются три диаграммы, называемые суммарно-разностными. В таких антеннах три канала обработки сигнала (суммарный, разностные угломестный и азимутальный) позволяют увеличить по сравнению с одноканальной системой точность определения угловых координат при прочих равных условиях. Многолучевые антенны строят с помощью неоднородных сред и так называемых диаграммообразующих схем (ДОС) по параллельной схеме (Батлера) или последовательной (Бласса).
Класс переизлучающих антенн включает различные виды приемопередающих антенн, осуществляющих прием в заданном секторе пространства и излучающих в режиме передачи в направлении прихода падающей волны. Последнее достигается конструкцией антенны (уголковые отражатели), с помощью ДОС или обработкой сигнала.
Увеличение скорости летательных аппаратов потребовало от антенн РЛС быстрого безынерционного сканирования луча в пространстве при сохранении направленных свойств, достигнутых в механически сканирующих антеннах. Это вновь привело к использованию АР, но уже с электронным сканированием, в котором суммирование сигналов от отдельных излучателей дополняется фазовым или амплитудно-фазовым управлением. В этом новом классе антенн, электронно-сканирующих в зависимости от способа управления, стали различать частотное, фазовое и коммутационное сканирование.
До тех пор, пока в антеннах используются линейные и взаимные устройства для создания необходимого амплитудно-фазового распределения, не следует делать различия в характеристиках приемных и передающих антенн, и можно рассматривать обработку сигнала в режиме, более удобном для анализа. Переход к классу активных антенн нарушает, как правило, эту взаимность. Появление активных антенн вызвано стремлением увеличить излучаемую мощность, уменьшить тепловые потери, увеличить надежность ФАР, а в слабонаправленных антеннах уменьшить размеры, расширить полосу и т.д. Под активными антеннами понимают такие, в которых непосредственно в каналы излучения включаются генераторы, усилители, смесители для указанных выше целей. Активные антенны и решетки могут быть приемными, передающими или приемопередающими.
Адаптивные и цифровые АР являются одними из самых перспективных, причем в них основной упор делается на применение мощных ЭВМ в системе обработки сигналов и
56
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
различных алгоритмов выделения полезного сигнала и уничтожения помех. Трудность - создание высокомощных ЭВМ.
Антеннами с нелинейной обработкой сигнала называются приемные АР, на выходе которых сигнал является произведением или корреляционной функцией (перемножение и усреднение по времени) сигналов от отдельных элементов. Используя различные методы нелинейной обработки сигналов (умножение, деление, усреднение, возведение в степень и т.д.), можно построить антенны, свойства которых будут существенно отличаться от свойств обычных антенн.
В качестве примера рассмотрим простейший интерферометр - АР, состоящую из двух направленных излучателей с диаграммой направленности (ДН) каждого F(θ) . Пусть излучатели разнесены на расстояние d и под углом θ на них падает плоская волна с частотой ω . Сигнал в момент времени t на выходе излучателей
U = F(θ)cos(ωt),
U = F(q)[cos(wt - t)], t = (d ×sin q)/ c,
где c - скорость света. Последовательно умножив и усреднив за время периода Т сигналы (корреляционная обработка), получим на выходе результирующий сигнал
T
U = U1 ×U 2 = F 2 (q) cos(wt) cos(wt - t) = = lim T1 ò0 U1U 2dt = F 2 (q) cos(kd sin q),
где k = 2π / λ.
Для сравнения отметим, что такая же антенна без обработки сигнала имеет конечную ДН вида F(θ) cos(kd sin θ / 2) , т.е. перемножение сигнала позволяет сузить ДН интерферометра.
На практике применяются и более сложные способы обработки сигнала. Все они позволяют значительно уменьшить количество элементов, требуемых для получения заданной ДН. В частности, исторически первой антенной с перемножением сигнала является крест Миллера, предназначенный для достижения максимальной разрешающей способности при малом числе элементов. Он представляет собой две взаимно перпендикулярные линейные решетки равной длины, состоящие из N элементов. Диаграммы обеих решеток - F1 (q, j) и F2 (q, j) . После перемножения сигнал на выходе креста пропорционален F1 (q, j)× F2 (q, j) , что соответствует сигналу от плоской двумерной решетки с размером стороны, равным длине решетки в кресте. Отметим, что операцию
57
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
умножения, например, можно выполнить с помощью фазового детектора, а операцию усреднения - с помощью фильтра нижних частот или интегрирующего устройства.
Антенны с логическим синтезом - еще одна разновидность антенн с нелинейной обработкой сигнала. В них ДН формируется при сравнении амплитуд сигналов от отдельных антенн и используются логические устройства типа "Да - нет", "Или", "И", "Больше - меньше". Применение этих операций позволяет, например, с помощью вспомогательной антенны срезать боковые лепестки, запирая основной приемный канал для всех сигналов ниже установленного уровня. В настоящее время наиболее распространены принципы нелинейной обработки сигнала в системах апертурного синтеза. Обычно под апертурным синтезом понимается синтезирование сплошной апертуры с помощью небольшого числа подвижных антенн, которые как бы заполняют апертуру при своем движении.
Антенны с нелинейной обработкой сигнала имеют два серьезных недостатка: меньшее отношение сигнал/шум, чем у обычных решеток с такими же ДН, и нелинейные искажения при наличии нескольких источников. Отношение сигнал/шум обычно уменьшается во столько раз, во сколько раз число элементов решеток с обработкой меньше, чем в обычной решетке.
Следует иметь в виду, что при нелинейных способах обработки, несмотря на сужение ДН, не достигается выигрыш в коэффициенте усиления (КУ), более того, он снижается из-за потерь при различных операциях обработки. Поэтому такие способы наиболее пригодны в радиоастрономии, где можно применять усреднение и накопление сигнала, поскольку излучающие цели перемещаются там весьма медленно и излучают непрерывно.
Динамическими антеннами, или антеннами с временной модуляцией параметров, называются такие, которые имеют периодически изменяющиеся во времени параметры. Изменяемыми параметрами могут быть: амплитудное или фазовое распределение поля (токов) в раскрыве антенны, размеры антенны, время включения отдельных элементов антенны и т.д. Здесь появляется возможность создания многолучевых систем с временным разделением, синтеза ДН с малым уровнем боковых лепестков и т.д.
Синтезированная апертура, или антенна с искусственным раскрывом является наиболее перспективной для повышения разрешающей способности бортовых РЛС обзора земной поверхности, устанавливаемых на движущихся носителях (самолетах, спутниках). Эти антенны широко распространены в радиоастрономии, где учитывается движение Земли. Их сущность основана на априорной информации о траектории движения носителя и заключается в приеме сигнала при движении, запоминании и когерентном (синфазном)
58
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
сложении аналогично тому, как это происходит в ФАР больших размеров. РЛС с синтезированной апертурой позволяет получить высокую разрешающую способность по угловым координатам, соответствующую обычной антенне с раскрывом в сотни и тысячи длин волн.
2.2. Основные электрические характеристики антенн
Рассмотрим основные параметры, характеризующие работу антенны как элемента линии радиосвязи. Направленность излучения антенны обычно характеризуется диаграммой направлености. Пространственная ДН может быть представлена в виде поверхности, радиусвектор которой равен взятой в каком-либо масштабе величине мощности, излучаемой антенной в данном направлении, отнесенной к единице телесного угла. Сечения пространственной ДН плоскостями, проходящими через ее центр, называются ДН в соответствующих плоскостях. Можно также строить ДН по напряженности поля. ДН антенны в какой-либо плоскости обычно имеет вид ряда лепестков, разделенных нулями. Если среди лепестков ДН можно выделить один (или несколько), значительно превышающий по своему максимальному уровню остальные, то их называют главным лепестком ДН, а остальные - боковыми, или побочными лепестками (рис.2.2).
Рис.2.2. Сечение пространственной ДН антенной решетки
Направление максимума главного лепестка диаграммы называется направлением главного излучения антенны, поскольку интенсивность излучения антенны максимальна именно в этом направлении. Формирование лепестков ДН связано с интерференцией полей, созданных различными излучателями антенны. Лепестки могут также возникать вследствие рассеяния энергии на препятствиях, находящихся в поле антенны. В ДН слабонаправленных антенн боковые лепестки могут отсутствовать, ДН при этом имеют вид одного-двух основных лепестков с равными максимумами. ДН остронаправленных антенн обычно имеют большое число боковых лепестков. Наличие боковых лепестков вредно, так как они приводят к бесполезному растрачиванию излучаемой мощности, создавая помехи в работе других радиостанций и, в случае приема, создавая увеличенный уровень помех. Однако полностью избавиться от боковых лепестков в остронаправленных антеннах невозможно. Добиться существенного снижения уровня боковых лепестков (УБЛ) можно с помощью специальных мер.
59
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рассмотрим основные типы ДН антенн, встречающихся на практике, не останавливаясь пока на способах, применяемых для их осуществления. Наименее направленными диаграммами обладают антенны в виде элементарного диполя (т.е. короткие по сравнению с длиной волны) и рамки (витка провода малого по сравнению с длиной волны диаметра). ДН этих антенн (рис.2.3) имеют вид тороида, ось которого параллельна оси провода или диполя, а для рамки - перпендикулярна ее плоскости.
Сечения ДН плоскостью, проходящей через ось тороида, имеют вид восьмерки, перпендикулярные к оси тороида сечения представляют собой окружности. В этих сечениях ДН ненаправленная. Благодаря этому ДН тороидного типа получила название всенаправленной. Близкую к ним ДН имеет полуволновый вибратор. Основное применение антенны с всенаправленными ДН находят в радиовещании, военной радиосвязи, радиомаяках и станциях разведки и помех.
Рис.2.3. ДН дипольной антенны (ненаправленная ДН)
Рис.2.4. Игольчатая ДН
Существуют также антенны с так называемыми игольчатыми ДН (рис.2.4), главные сечения которых имеют вид острого лепестка. При таких ДН излучение антенны концентрируется в небольшом телесном угле. Игольчатые ДН широко применяются не только для понижения мощности передатчика, но и для определения угловых координат объектов, излучающих или отражающих радиоволны. Для последней цели применяются также веерные ДН, т.е. сжатые лишь в одной плоскости, обычно горизонтальной. При этом облегчается обнаружение целей, так как поиск необходимо проводить лишь по одной угловой координате. В этом случае экономится мощность, правда, одновременно теряется возможность определения второй координаты в плоскости веера, но в ряде случаев это несущественно.
60
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ДН можно придавать специальную форму. Такие ДН, в частности, необходимы для РЛС бокового обзора, бомбоприцелов, РЛС сопровождения и посадки самолетов, когда в пределах широкого угломестного сектора уровень сигнала, отраженного от любой цели, должен быть постоянным на входе приемника (рис.2.5). Можно легко показать, что в этом
случае ДН в вертикальной плоскости должны иметь форму cosec2 (θ) , где θ - угол места.
t |
t |
|
Рис.2.5. ДН типа сosec2 (θ)
Для сравнения направленности различных антенн применяется параметр, называемый коэффициентом направленного действия (КНД) антенны. Впервые этот параметр был введен в 1926 г. Пистолькорсом. Данный параметр показывает, во сколько раз мощность, излучаемая в определенном направлении антенны, превышает мощность, излучаемую в том же направлении изотропным излучателем, при условии равенства мощностей возбуждения.
Другим важным параметром, характеризующим излучение антенны, является ее поляризационная характеристика. Поясним, что понимается под этим термином. Как известно, электромагнитная волна имеет поперечный характер, т.е. связанные с ней векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны. Отсюда следует, что при одном и том же направлении распространения могут существовать волны, отличающиеся направлением поля. Для того, чтобы охарактеризовать ориентацию векторного поля, говорят о плоскости поляризации поля, понимая под ней плоскость, проходящую через направление распространения и один из векторов поля, например электрический. Такое поле называется линейнополяризованным, или плоскополяризованным.
При сложении двух линейно-поляризованных полей, электрические векторы которых повернуты друг относительно друга в пространстве и не совпадают по фазе, электрический (и магнитный) вектор результирующего поля не имеет фиксированного положения в пространстве, а поворачивается на полный оборот за один период высокочастотных колебаний. В общем случае вектор поля изменяется и по длине. Это значит, что и плоскость поляризации будет поворачиваться (вращаться) вокруг оси, совпадающей с направлением распространения волны. В таких случаях говорят, что поле имеет вращающуюся поляризацию. На рис.2.6 приведен случай, когда складываются два
61
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
линейно-поляризованных поля, электрические векторы которых перпендикулярны друг другу, равны по величине и сдвинуты по фазе на 90˚.
Рис.2.6. Образование поля с вращающейся поляризацией
Все рассуждения о поляризации поля электромагнитной волны в равной степени применимы и к полю излучения антенн. Конец вектора поля описывает за период некоторую плоскую кривую. Можно показать, что эта кривая - эллипс. В разных точках пространства, лежащих в разных направлениях от антенны, форма этого эллипса может быть различна. Учет поляризационных свойств антенны весьма важен. Например, если линейные поляризации полей двух антенн взаимно перпендикулярны, то одна антенна не будет принимать излучение другой, и наоборот.
По отношению к передатчику антенна представляет собой некоторую нагрузку, поглощающую генерируемую им мощность. Отличие от обычных омических нагрузок в этом случае заключается в том, что мощность, поглощаемая антенной, не превращается в ней в тепло, а излучается в пространство, переходя в мощность электромагнитных волн (некоторые небольшие потери антенна все же имеет). Знание величины нагрузки и способов ее регулировки важно для того, чтобы обеспечить максимальное извлечение мощности из генератора, возбуждающего антенну. Как известно, максимальную мощность генератор будет отдавать в нагрузку в том случае, когда их комплексные сопротивления будут сопряженными, т.е. ZА = ZГ . Если сопротивление антенны не удовлетворяет этому соотношению, то для согласования ее с генератором можно применять согласующие устройства - трансформаторы сопротивлений. Сопротивление антенны состоит из вещественной и реактивной частей. Вещественная часть может быть разбита на два слагаемых, первое из которых соответствует омическим потерям в антенне, а второе - "потерям", вызванным излучением. Второе слагаемое поэтому называется сопротивлением излучения антенны. Величина сопротивления излучения определяется конструкцией антенны и может быть самой разнообразной: от десятых долей до тысяч ом. Соотношение между полным сопротивлением и сопротивлением потерь определяет КПД антенны.
На практике наиболее приемлемой характеристикой антенны является не КНД, а
усиление антенны: G = h×Д, где h - КПД антенны; Д - КНД антенны. Именно этот
62
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
параметр определяет реальное излучение в данном направлении мощности. КНД присутствует практически только в теоретических разработках.
При разработке антенн для использования в каком-либо устройстве, как правило, определяют технические требования к перечисленным выше параметрам. Эти требования задают в виде некоторого интервала значений, которые могут принимать параметры антенны. Обычно антенны проектируются для работы не на фиксированной частоте, а в некотором частотном диапазоне. Частотный диапазон, в котором значения параметров антенны укладываются в интервал, определенный допусками, называется рабочим диапазоном антенны. Если ширина рабочего диапазона несколько процентов, антенна называется узкодиапазонной, если ширина рабочего диапазона несколько десятков процентов - широкодиапазонной.
2.3. Симметричные вибраторы
Симметричный вибратор - это антенна в виде металлического провода или стержня, у которой в сечениях, симметричных относительно середины, продольные высокочастотные токи равны по величине и имеют одинаковую фазу, т.е. обеспечивается равенство I(z) = I(–z). Типы симметричных вибраторов, наиболее часто встречающиеся на практике, показаны на рис.2.7. Вибраторы большого поперечного сечения часто выполняются из нескольких параллельных проводов малого сечения, эти провода соединяются перемычками на концах и в нескольких сечениях по длине.
Расчет распределения тока вдоль вибратора является важной задачей, так как его знание позволяет относительно легко рассчитать поля от этого вибратора. Можно получить решение задачи для достаточно тонкого металлического цилиндрического вибратора, используя метод интегральных уравнений - "строгий" метод решения. Идея метода заключается в следующем. Записывается выражение для расчета напряженности электрического поля во всех точках пространства, окружающего
63
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
|
l |
0 |
|
|
|
2a |
|
z |
|
|
2l |
Рис.2.7. Типы линейных вибраторов
вибратор, через неизвестный ток I(z) в вибраторе. При этом неизвестная функция I(z) оказывается под знаком интеграла. Так как провод вибратора предполагается идеально проводящим, то касательная составляющая полученного электрического поля на поверхности провода приравнивается нулю. Полученное интегральное уравнение разрешимо относительно I(z).
Выражения для функции распределения тока по тонкому цилиндрическому вибратору, полученные этим методом, имеют вид сходящегося ряда по специальным функциям. Они показывают, что распределение тока зависит от относительной толщины вибратора l/a. В общем случае ток в различных сечениях вибратора имеет различные фазу и амплитуду, сложным образом зависящие от координаты вдоль вибратора. Если ln(l/a) > 1, т.е. для тонких вибраторов, распределение тока является почти синусоидальным и симметричным относительно середины вибратора. Оно имеет вид стоячих волн с узлами на концах вибратора и в сечениях, отстоящих на расстояние nλ/2 от концов, где n - целое положительное число. Максимальное значение тока в стоячей волне, обозначаемое I0 ,
есть значение тока в пучности.
Таким образом, выражение для амплитуды тока в произвольном сечении вибратора имеет вид:
I (z) ≈ I0 sin k(l − z ) .
Фаза тока во всех сечениях вибратора одинакова (синфазное распределение) или изменяется скачком на π при изменении знака синуса. Соответствующее мгновенное значение тока в различных сечениях вибратора определяется зависимостью
64
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
i(z,t) = I0 sin k(l − z ) cos ωt.
Графики распределения тока в очень тонких вибраторах различной длины представлены на рис.2.8,а - г. На рис.2.8,д показан несимметричный вибратор длиной 2l = λ . В таком вибраторе распределение тока также имеет вид стоячих волн, но является
несимметричным. |
Вибраторы, |
длина которых кратна нечетному числу полуволн |
(2l = λ / 2,3λ / 2,...), |
будут иметь |
симметричное распределение тока при подключении |
фидера к любому сечению. |
|
|
I0 |
|
Iz |
2l << λ |
2l = 0,5λ |
2l = λ |
|
|
θz |
|
|
2l = λ |
|
2l = 2λ |
|
Рис.2.8. Графики распределения тока и заряда в тонких вибраторах
При известном законе распределения тока по вибратору легко установить приближенный закон распределения заряда. Учитывая, что ток в тонком вибраторе имеет только продольную составляющую и заряды существуют только на поверхности проводника, это уравнение можно записать в виде
div z0 I z = dI z / dz = ωτ z , |
(2.1) |
где z0 - единичный вектор, направленный по оси вибратора; I z - поверхностная плотность тока, А/м; τz - поверхностный заряд, приходящийся на единицу длины вибратора.
Решение (2.1) относительно τz дает (без учета фазы)
τ z = τ0 cos k(l − z ),
где τ0 - амплитуда заряда в его пучности. Распределение заряда важно для определения предельной мощности, которую можно подвести к вибратору.
65
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com