Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ возможностей и эффективности приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов в аппаратуре радиоконтроля мобильного и стационарного базирования 12
1.1. Аналитический обзор возможностей и перспективных направлений развития сверхширокополосной радиоэлектроники 12
1.2 Анализ технических средств и перспектив совершенствования современной аппаратуры радиомониторинга и радиопеленгации 21
1.3. Анализ моделей и методов описания сверхширокополосных сигналов и процессов 39
1.4. Выводы по первой главе 49
2. Исследование процессов излучения сверхкоротких импульсов сверхширокополосными антеннами 51
2.1. Анализ использования численных методов расчета характеристик электродинамических структур, функционирующих в сверхширокой полосе частот, и разработка методики совместного использования методов пространственно-временного и пространственно-частотного анализа 51
2.2. Исследование основных причин возникающих искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов при их излучении сверхширокополосными антеннами 62
2.3. Исследование влияния изменения направления излучения на величину искажений сверхкоротких импульсов 79
2.4. Выводы по второй главе 106
3. Исследование возможностей улучшения технических характеристик антенных устройств, работающих в сверхширокой полосе частот 108
3.1. Разработка и исследование методики минимизации деформации сверхкоротких импульсов при излучении вибраторной логопериодической антенной 108
3.2. Разработка и исследование методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот 121
3.3. Исследование возможной применимости гибридных антенных элементов для формирования сверхкоротких импульсов 130
3.4. Выводы по третьей главе 146
4. Экспериментальное исследование гибридной антенной решетки в сверхшироком диапазоне волн
4.1. Анализ применимости классических метрологических методов теории и техники антенн для измерения параметров сверхширокополосных антенн, функционирующих в режиме приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов 147
4.2. Макетирование и натурные исследования гибридной антенной решетки 152
4.3 Выводы по четвертой главе 174
Заключение 176
Список цитируемых источников
- Анализ технических средств и перспектив совершенствования современной аппаратуры радиомониторинга и радиопеленгации
- Исследование основных причин возникающих искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов при их излучении сверхширокополосными антеннами
- Разработка и исследование методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот
- Макетирование и натурные исследования гибридной антенной решетки
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных тенденций развития аппаратуры связи и телекоммуникаций, измерительной радиоаппаратуры, а также – радиолокационных комплексов и средств радиоэлектронной борьбы является использование широкополосных и сверхширокополосных сигналов. Весьма перспективным направлением развития радиоэлектронных систем различного назначения (в частности, аппаратура стандарта UWB) является использование сверхкоротких импульсов, характеризующихся наносекундной и субнаносекундной длительностью.
Поэтому современная аппаратура радиомониторинга и радиопеленгации должна обеспечивать надежный поиск и точное измерение параметров фиксируемых сигналов, в том числе и в моноимпульсном режиме.
Эффективность аппаратуры радиоконтроля напрямую зависит от характеристик используемых в ней антенных систем и устройств. Важным требованием, предъявляемым к аппаратуре радиопеленгации и радиомониторинга, является надежное и точное разрешение источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот, однако не менее важным требованием является обеспечение ее высокой живучести, непосредственно связанной со степенью ее заметности, в значительной мере определяемой габаритными размерами антенной системы. Поэтому к антеннам, используемым в аппаратуре радиоконтроля, предъявляются требования минимального искажения принимаемых сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов в угловой зоне ее обзора, обеспечения достаточно высокого уровня сигналов, передаваемых в приемное устройство, возможности разрешения источников радиоизлучения с близкими значениями угловых координат и вместе с тем приемлемых габаритных размеров и массы.
Исследованиям в области теории сверхширокополосной радиоэлектроники, а также разработке широкополосных и сверхширокополосных антенн посвящены работы В.Б. Авдеева, Д.В. Авдеевой, Г.В. Анцева, Н.А. Арманда, Л.Ю. Астанина, А.В. Ашихмина, Л.Д. Бахраха, А.М. Бобрешова, Д.И. Воскресенского, А.Ю. Гринева, И.Я. Иммореева, А.Ф. Кардо-Сысосева, А.П. Курочкина, В.Ф. Лося, Ю.Б. Нечаева, Ю.Г. Пастернака, И.В. Попова, Д.М. Сазонова, В.А. Сарычева, Б.В. Сестрорецкого, В.Н. Скосырева, А.Д. Французова, С.Л. Чернышева, Ю.В. Юханова, В.И. Юдина, А.П. Ярыгина и др.
Тем не менее ряд важных задач, таких как: излучение и прием сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов с минимальными искажениями их амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик; создание малогабаритных антенных систем, обладающих высокой чувствительностью в сверхшироком диапазоне частот их функционирования; повышение эффективности существующих и разрабатываемых комплексов радиопеленгации и радиомониторинга посредством качественного улучшения входящих в их состав элементов антенных решеток, остается не решенным или решенным не в полной мере.
Данные обстоятельства делают актуальной тему настоящей диссертации, выполненной в рамках ряда проводимых в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также одного из основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» – «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является: разработка методик исследования и коррекции искажений, создаваемых антеннами при излучении и приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, а также проектирования элементов малогабаритных антенных систем, позволяющих повысить эффективность функционирования комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- проведения анализа состояния теории сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких видеоимпульсов и перспектив развития антенных систем комплексов радиопеленгации и радиомониторинга в сверхширокой полосе частот;
- разработки методики исследования искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых ТЕМ-рупором, щелевой антенной бегущей волны и вибраторной логопериодической антенной;
- создания и исследования методики компенсации искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых логопериодической антенной;
- разработки и исследования методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхшироком диапазоне ее функционирования;
- разработки и апробации методики проектирования антенной системы, элементами которой являются симметричные сверхширокополосные вибраторы, запитываемые неоднородными щелевыми линиями с потерями на излучение.
Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики, методы компьютерной обработки данных натурных экспериментальных измерений, методы натурных экспериментальных измерений характеристик антенн.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана методика, позволяющая оценить амплитудные, фазовые и поляризационные искажения, вносимые сверхширокополосными антеннами (ТЕМ-рупоры, вибраторные логопериодические антенны и щелевые антенны бегущей волны) при излучении и приеме сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов, а также позволяющая проектировать вышеупомянутые антенные устройства, отличающиеся малой степенью искажений структуры сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов;
- разработана и исследована методика компенсации искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов, принимаемых вибраторной логопериодической антенной, основанная на предварительной коррекции фазовых искажений с помощью многозвенного полоскового устройства с сосредоточенными реактивными элементами, возникающих вследствие сильной дисперсии времени задержки спектральных компонентов принимаемых сигналов, и позволяющая существенно сократить эффективную длительность импульсов и сохранить их форму;
- разработана и исследована методика проектирования щелевых антенн бегущей волны, отличающихся улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот, на основе параметрического синтеза согласующих резонансных шлейфов, компенсирующих индуктивный характер входного сопротивления антенных элементов в низкочастотной области их функционирования, позволяющая существенно снизить уровень коэффициента отражения на их входе;
- предложена и апробирована методика проектирования сверхширокополосных антенных систем, составленных из гибридных элементов, представляющих собой симметричные электрические вибраторы, запитываемые квазищелевыми линиями с потерями на излучение, использование которых в комплексах радиопеленгации и радиомониторинга позволяет уменьшить число подрешеток антенной системы за счет функционирования ее элементов в сверхширокой полосе частот и существенно повысить ее чувствительность в высокочастотной области функционирования за счет направленных свойств гибридных антенных элементов.
Практическая значимость работы заключается в:
– снижении числа литер радиопеленгаторных антенных систем, состоящих из гибридных антенных элементов;
– существенном – до 10 дБ – повышении чувствительности аппаратуры радиоконтроля, оснащенной разработанными антенными системами с направленными элементами, не имеющими фазового центра;
– минимизации степени искажений сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, принимаемых разработанными антенными устройствами и системами.
Разработанные антенные устройства и методики их проектирования могут быть также использованы для совершенствования систем связи, дистанционного управления и радиоэлектронной борьбы.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж), а также внедрены в учебный процесс
ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Основные положения, выносимые на защиту:
- методика оценки причин и степени деформации сверхкороткоимпульсных сигналов при их формировании сверхширокополосными антеннами: ТЕМ-рупором, вибраторной логопериодической и антенной Вивальди, а также выявления характера зависимости наблюдаемых искажений сверхкоротких видеоимпульсов и сверхширокополосных сигналов от направления их излучения одиночными и входящими в состав радиопеленгаторных антенных решеток элементами Вивальди и ТЕМ-рупорами;
- методика синтеза цепей предварительной фазовой коррекции в двух вариантах исполнения: с использованием только сосредоточенных реактивных элементов и с применением комбинации отрезков полосковой линии передачи с сосредоточенными L- и С-элементами для компенсации искажений фазового спектра сверхширокополосного сигнала, принимаемого или излучаемого вибраторной логопериодической антенной;
- методика параметрического синтеза щелевой антенны бегущей волны, входящей в состав радиопеленгаторной антенной системы, позволяющая, при незначительном увеличении габаритов антенны существенно улучшить ее согласование с фидерной линией в низкочастотной области функционирования высокочастотной литеры;
- методика проектирования сверхширокополосных гибридных антенных элементов и результаты натурных исследований аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, включающей в себя экспериментальный макет антенной системы, составленной из гибридных элементов, позволяющие оценить эффективность применения синтезированных вибраторных антенн, обладающих направленными свойствами в верхней части рабочего диапазона системы радиоконтроля.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: XIV – XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2008 – 2010), Международной научно-технической конференции «Инноватика 2007» (Сочи, 2007), ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2007 – 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [10] – разработка методики оптимизации характеристик антенны; [1, 2, 11, 12] – разработка методики исследования искажений сверхкоротких импульсов; [3, 5, 8, 9] – проведение моделирования излучающих структур; [4] – поиск и предварительный анализ публикаций; [6, 7, 8, 13] – изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 113 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 188 страницах, содержит 97 рисунков и 14 таблиц.
Анализ технических средств и перспектив совершенствования современной аппаратуры радиомониторинга и радиопеленгации
В настоящее время объем, занимаемый сверхкороткоимпульсным сигналом в пространстве (импульсный объем), составляет несколько кубических дециметров, что( позволяет различать отклики от отдельных элементов объекта мониторинга. При этом они оказываются развернутыми во времени. При рассмотрении указанных СШП колебаний целесообразно описывать сигнал во временном представлении без применения соответствующих преобразований Фурье. Характерный пример, демонстрирующий эту целесообразность, - набор точечных отражателей, расположенных друг от друга на временных интервалах, которые больше длительности зондирующего импульса. В этом случае анализ рассеянного отражателями сигнала с точки зрения временной структуры позволит создать предпосылки для идентификации объекта радиолокационного мониторинга. Такой сложный отклик объекта на зондирующий импульс называется в радиолокации и радиополяриметрии радиолокационным портретом
Можно отметить следующие преимущества СШП систем с импульсными сигналами [1, 6]: — малая спектральная плотность мощности у применяемых сигналов, поскольку их энергия .получается «размазанной» на значительном интервале частот, что приводит к весьма малой мощности в каждом из узких частотных диапазонов, используемых традиционными (узкополосными) радиоэлектронными системами. П этой причине отпадает необходимость специального лицензирования импульсных систем электросвязи. Плотность мощности таких систем укладывается в ограничения на «паразитные» электромагнитные излучения электрооборудования. У классических радиоэлектронных систем появляется возможность вторичного использования уже занятых частотных диапазонов без существенных, помех; - высокая устойчивость к поражению сигнала в отдельных частотных диапазонах. Здесь гарантируется устойчивость к частотно-селективным зами раниям сигнала, вызванным, например, интерференцией, а также к естествен ным или намеренно создаваемым узкополосным помехам, таким, как сигналы узкополосных систем связи. В случае использования сверхкоротких импульсов отсутствуют интерференционные точки замирания в сложной окружающей об становке, например, внутри зданий и сооружений. СШП сигналы обеспечивают наименьшее затухание используемых в радиоэлектронике сигналов при прохо ждении сквозь препятствия, таких как листва, стены и т.п.; - возможность использования малых по своим массогабаритным характеристикам антенн передатчиков и приемников. Например, использование антенн по технологии изготовления печатных плат; - отказ от частотной фильтрации и переход к чисто цифровой технике, что очень важно в долгосрочной перспективе.
Рассмотренные преимущества использования СШП сигналов позволяют принципиально улучшить тактико-технические характеристики и функциональные возможности создаваемых и эксплуатируемых радиоэлектронных систем, обзор которых является целью исследований, изложенных в настоящем подразделе. Далее приведено описание основных областей применения сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов.
Радиолокация высокого разрешения. СШП радиолокация в физическом смысле ничем не отличается от стандартных технологий радиолокации, применяемых сегодня. Импульсный сигнал излучается в сторону цели, и по отраженному от нее сигналу определяются все необходимые параметры, включая и не-координатные характеристики цели (тип, принадлежность к определенному классу, состав и структура, оценка используемого покрытия и т.п.) [7 — 12]. Важно отметить, что соответствующий радиолокационный канал может включать и дисперсионные среды [13].
Основной особенностью этого типа радиолокации является использование нового типа СШП импульсного сигнала без несущей частоты, который и определяет вес ее новые свойства.
Радиолокация с использованием СШП сигналов удовлетворяет всем основным современным требованиям: высокое пространственное разрешение цели, вплоть до получения ее радиоизображения; высокая скрытность процесса радиолокации; предельно достижимая помехозащищенность; нейтрализация новейших технологий «радионевидимости» типа «Стеле».
Высокая разрешающая способность, малая слепая зона, относительная простота импульсных трансиверов позволяют создавать коммерчески перспективные радиолокаторы небольшого радиуса действия, например, для автомобилей — для слежения за дорожным покрытием и обнаружения опасного сближения с препятствием.
Концентрация мощности на малом временном интервале вызывает в исследуемых объектах нелинейные эффекты, что является особо ценным в задачах нелинейной локации (для обнаружения и идентификации объектов на основании их нелинейных свойств, например, скрытых радиоэлектронных устройств, содержащих полупроводниковые компоненты, залежей или тайников некоторых металлов, оксиды которых проявляют нелинейные свойства). Кроме того, использование импульсного сигнала в нелинейной локации позволяет наряду с оценкой нелинейных свойств объекта оценивать его пространственное положение, а также позволяет исследовать нелинейность быстропротекающих процессов (например, ударных волн).
Подповерхностная радиолокация. Подповерхностная радиолокация может быть реализована только на принципах использования СШП сигналов и в этом смысле не имеет аналогов [1]. Она предполагает «видение» объектов поиска за естественными преградами, такими как листва, средства маскировки или почва. Уже сегодня в США бортовые вертолетные системы позволяют вскрывать противопехотные мины с вероятностью, близкой к единице.
Несмотря на внешнюю схожесть с радиолокацией, подповерхностная радиолокация имеет ряд принципиальных отличий, определяемых спецификой системного применения и обработки информации в приемном канале. По этой причине сегодня подповерхностная радиолокация обычно выделяется в отдельный самостоятельный класс, хотя с точки зрения построения излучающей системы (имеется в виду генератор сигнала и антенна) оба класса идентичны.
Скрытая сверхширокополосная связь. Для передачи информации используется последовательность коротких (0.2 ... 1 не) импульсов без несущей частоты, расстояние (время задержки) между которыми модулируется в соответствии с передаваемой информацией (в частном случае, речью), а для повышения помехоустойчивости задержка дополнительно модулируется псевдослу-чайным сигналом. Таким образом, излученный спектр практически равномерно размещен в полосе частот 1 ГГц или более и подобен «белому» шуму.
При приеме сигнала осуществляется его корреляционная обработка, и спектр сужается до величины, необходимой для работы одного канала связи, в случае телефона - до нескольких килогерц. Таким образом, расширение спектра достигает сотен тысяч раз, и спектральная мощность сигнала становится очень мала.
Это означает, что часть сигнала, принятая любым стандартным приемным устройством, будет очень мала, — как правило, ниже уровня естественного шума, и даже сам факт существования канала, не может быть обнаружен, не говоря уже о его расшифровке. Соответственно, любая узкополосная помеха, подавляя только малую часть общего спектра, не может вывести из строя весь канал.
Исследование основных причин возникающих искажений сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов при их излучении сверхширокополосными антеннами
Выбор метода конечных интегралов в пространственно-временной области в качестве основного «инструмента» анализа сверхширокополосных антенных устройств был сделан не случайно. Дело в том, что при решении задач радиомониторинга, в частности, приема электромагнитных колебаний в сверхшит рокой полосе частот высокодобротной резонансной структурой, т.е. узкополос-ной антенной, приходится прибегать к дополнительной верификации результатов в частотной области. Последнее объясняется тем, что весь спектр СШПС принимается резонансным устройством весьма длительное время, за которое на нем же успевают навестись перёотраженные колебания, ведущие к искажению регистрируемой картины поля. С другой стороны, использование современных вычислительных комплексов, обладающих высоким быстродействием и большим объемом оперативной памяти, позволяет успешно применять метод Вей-ланда для строго электродинамического моделирования сложных в геометрическом плане антенных устройств, функционирующих в сверхширокой полосе частот. Возможность применимости того или иного численного метода для решения поставленных задач иллюстрируется рис. 2.6.
При использовании сверхширокополосных сигналов (СШПС) в системах радиолокации высокого разрешения, скрытой сверхширокополосной связи, дистанционного зондирования объектов, радиоэлектронной борьбы и медицин-ской технике обнаруживается ряд технических трудностей, связанных с их излучением. Наибольшее распространение для формирования сверхкоротких импульсов нашли рупорные антенны (в частности, ТЕМ-рупора), типа Вивальди и вибраторные (рис. 2.7а - 2.7в) [56-59]. Одним из явных преимуществ использования вибраторных логопериодических антенн (ЛПА) является высокий коэффициент усиления в сверхширокой полосе рабочих частот, однако возникающая сильная дисперсия фазочастотной характеристики является причиной невозможности применения таких антенн для работы со сверхширокополосными сигналами, поскольку СКИ претерпевает сильные искажения во временной области.
Несмотря на широкое использование щелевых антенн бегущей волны и ТЕМ-рупоров для излучения и приема СКИ и СШП сигналов многие нюансы, касающиеся появления деформаций формируемых данными антеннами импульсов, остаются неизученными [60 - 76]. С помощью метода конечного интегрирования [53], описанного ранее, были проведены исследования, результатом которых являлось определение величины и причины искажений сверхкоротких импульсов рассматриваемыми антенными устройствами.
Как известно, для излучения сигнала без искажений антенна должна обладать равномерным коэффициентом усиления, линейной фазочастотной характеристикой и неизменными поляризационными свойствами во всем рабочем диапазоне частот. На рис. 2.8 проиллюстрированы графики коэффициентов усиления рассматриваемых антенных устройств в диапазоне 0.1 — 15 ГГц, построенные по результатам расчетов с помощью метода конечного интегрирования. Видно, что при допустимых отклонениях от среднего значения ±2 дБ коэффициент усиления рупорной и щелевой антенн имеет наибольшую величину в диапазоне 4-13 ГГц. Поскольку в указанной полосе частот элемент Вивальди отличается наибольшей равномерностью коэффициента усиления, то именно его характеристика была выбрана в качестве «нормирующей» для остальных типов антенн. ї l і і 1 1 ТЕМ. Г 1 І.. t »ft 1 І "«"Jf j
Изменение геометрических размеров ТЕМ-рупора (его длины, диаметра излучающей апертуры и угла в плоскости вектора Ё, определяющего площадь секторов металлизации антенны) дало возможность получить значения коэффициента усиления, близкие к значениям этого параметра для антенны Вивальди в рассматриваемой полосе. В результате проведенной оптимизации размеры рупора приняли следующие значения: длина - 300 мм, диаметр раскрыва - 150 мм, угол - 120. Несмотря на то, что исследуемая вибраторная логопериодиче-екая антенна обладает меньшим усилением, чем вышеупомянутые антенны, и диапазон, в котором неравномерность коэффициента усиления не превышает ±2 дБ, характеризуется меньшими граничными частотами (1.8 — 11.8 ГГц), описываемые ниже исследования являются корректными.
Чтобы оценить степень искажения сверхкоротких импульсов, формируемых ТЕМ-рупором, ЛПА и антенной Вивальди, потребовалось провести электродинамическое моделирование излучающих структур с целью отыскания электромагнитного поля (ЭМП) в дальней зоне (точка, в которой проводилась регистрация поля, находилась на расстоянии 15А от места запитки антенн, чему на нижней частоте исследуемой полосы частот 4 ГГц соответствует расстояние 1124 мм). ЭМП антенны в дальней зоне представимо выражением [77] Ё = [гс/(2Л)]ГАЬа(@,ср)е-№к /R, где Zc- .характеристическое сопротивление среды; Ід- комплексная амплитуда электрического тока в выбранной точке А излучающей структуры; пд -действующая длина антенны. В последнее выражение входит комплексная векторная нормированная диаграмма направленности F(0,# ), содержащая информацию об угловом распределении поля, его поляризационных и фазовых свойствах, которую можно представить в виде трех сомножителей описывающих соответственно амплитудную, поляризационную и фазовую структуры поля дальней зоны антенны. Для более полного анализа процессов искажения СКИ, а также для выявления зависимости степени деформации импульса от его длительности было выбрано для проведения электродинамического моделирования три диапазона: 2.5 - 14 ГГц, 4-13 ГГц и 4 - 6.5 ГГц с соответствующими им коэффициентами перекрытия 5.6, 3.25 и 1.625. Далее в тексте представлены результаты такого анализа в виде графиков временных зависимостей напряжения на входе антенны и напряженности поля в дальней зоне (рис. 2.9 - 2.11). На данных рисунках совмещение графиков входного напряжения, [В] и напряженности поля, создаваемого излучаемым сигналом в дальней зоне, [В/м], формальнее, исключительно для большей наглядности разницы форм возбуждающего и излученного СКИ.
Разработка и исследование методики проектирования антенны Вивальди с улучшенными входными характеристиками в сверхширокой полосе частот
Как видно из рис. 2.23 и 2.24, входные характеристики одиночного щелевого элемента и ТЕМ-рупора незначительно изменяются в составе решетки, причем для рупорной АР можно отметить даже улучшение согласования с питающим фидером в верхней части исследуемого диапазона частот. Что же касается рабочего диапазона радиопеленгаторного комплекса (3-8 ГГц), то в нижнечастотной его области можно отметить сравнительно больший уровень КСВн для обеих антенн, что обусловлено значительной разницей в размерах излучателей и длиной волны при соответствующих частотах.
При анализе функционирования сверхширокополосного элемента в составе антенной решетки с точки зрения упрощения электродинамической модели целесообразной представилась возможность моделирования не всей АР, состоящей из семи антенн [79], а лишь ее части, представленной тремя элементами, два из которых (крайние) являются пассивными переизлучателями, нагруженными на согласованные сопротивления, а средний - активный излучатель. Такое допущение в первом приближении можно считать правомерным, поскольку на область главного лепестка диаграммы направленности приходится существенно большая доля суммарной энергии излучения ( 90%), и лишь два соседних элемента расположены в этой области активного излучателя.
Численный эксперимент, поставленный с целью выявления зависимости величины искажений СКИ от направления их излучения, можно описать следующим образом: в дальней зоне на расстоянии десяти длин исследуемой антенны от точки ее запитки под различными углами относительно оси симметрии излучающей структуры размещены математические модели диполей с размерами материальной точки. На этих диполях измеряется напряжение, наводимое падающей волной, излученной исследуемой антенной при подаче на ее вход сверхкороткого импульса. Для решения поставленной задачи целесообразным представлялось размещение моделей диполей на указанном ранее расстоянии в азимутальной и угломестной плоскостях под углами 30 и 60 градусов к оси симметрии антенны, на самой оси, а также в двух промежуточных точках пространства с одинаковыми угловыми координатами, также равными 30 и 60 градусам. ; Входнойсигнал 1 і іОдиночный члемент "J\ і k hл V і др xL і
На рис. 2.25, а также в таблицах 6 и 7 представлены результаты электродинамического моделирования исследуемых антенн и антенных решеток, составленных из них, в диапазоне..рабочих частот радиопеленгаторного комплекса (3 — 8 ГГц). Графики возбуждающего; и излученных импульсов по временной шкале совмещены для лучшего визуального восприятия разницы их форм. Расчет эффективной длительности и коэффициентов корреляции» сигналов был произведен аналогично расчету этих величин в вышеописанных исследованиях: По графическим зависимостям с рис. 2.25 а также по данным из.таблиц 6 и 7 можно; сделать выводы:
Г. обе исследуемые антенны в составе решетки сильнее искажают сверхкороткий импульс, чем они же в качестве одиночных излучателей, что можно объяснить близостью пассивных элементов и возникающих вследствие этого переотражений сигнала, являющихся; в свою очередь причиной существования суперпозиции полей в точке наблюдения, формируемых активным элементом и двумя пассивными;
2. как показано в предыдущем подразделе, а также в настоящих исследованиях подтверждается содержанием таблиц 6 и 7 ирис. 2.25, СКИпретерпева 89 ет меньшие искажения при излучении антенной Вивальди по сравнению с
ТЕМ-рупором. Лишь в отдельных случаях (при направлении излучения по азимуту / углу места, равном 00/30) можно наблюдать для рупора большую корреляцию излученного и возбуждающего сигналов, чем для щелевой антенны. Анализируя данные таблицы 7, видно, что в случаях регистрации СКИ в направлениях 00/00, 00/30, 00/60 и 30/00, длительность импульса, излученного обеими антеннами в составе АР в опыте с Вивальди меньше, чем с ТЕМ-рупором, однако, для трех последующих направлений ситуация меняется на противоположную. Это можно объяснить, обратившись к рис. 2.25, где на графиках а) - з) показано, что энергия СКИ, формируемого обеими антеннами, сосредоточена в его начале, а графики и) - о) иллюстрируют более равномерное распределение энергии в течение всего импульса, причем для щелевой антенны колебания, играющие уже значительную роль в энергетическом смысле, наблюдаются ближе к концу импульса, в то время как для ТЕМ-рупора распределение энергии имеет тот же вид, что на графиках а) — з), что и приводит к отмеченному ранее характеру изменения значений эффективной длительности; величина искажений сверхкоротких импульсов в большей степени за-висит от изменения направления излучения по углу места, нежели по азимуту. Причину этого можно объяснить с помощью рис. 2.26 — 2.29. По представленным на рис. 2.26 и 2.27 амплитудным диаграммам направленности одиночных исследуемых антенных элементов на граничных частотах рабочего диапазона в азимутальной и угломестной плоскостях видно, что диаграммы б) и г) с обоих рисунков имеют больший уровень боковых лепестков по сравнению с диаграммами а) и в), соответственно; с ростом частоты относительная доля энергии, приходящаяся на боковые лепестки, увеличивается по сравнению с энергией в области главного. Можно также отметить, что при отклонении направления излучения от оси симметрии излучающей структуры на угол 60 высокочастотные составляющие СКИ формируются уже не в области главного, а в области боковых лепестков, что приводит к амплитудно-фазовым искажениям сигнала, о чем свидетельствуют рис. 2.28 и при их излучении в направлениях 00/60 и 60/00. По представленным зависимостям амплитудно- и фазочастотной характеристик видно, что причиной больших искажений в угломестной плоскости по сравнению с азимутальной для рупорной антенны является как неравномерность коэффициента усиления, так и сильная нелинейность фазовой характеристики; щелевому же элементу присущ почти линейный характер поведения ФЧХ при наблюдении излучаемого сверхкороткого импульса в обеих плоскостях, однако зависимость коэффициента усиления в направлении 00/60 имеет большую неравномерность, чем в направлении 60/00. Интересную особенность можно отметить, если сравнить зависимости коэффициента усиления и ФЧХ антенн в направлениях 00/00 и 30/00: фазовые характеристики имеют квазилинейный характер, и с ростом частоты разность между ними не становится существенной, а графики на рис. 2.28 для направления 30/00 более равномерны, чем для 00/00. В результате СКИ при излучении в направлении 30 в азимутальной плоскости претерпевает даже меньшие искажения, чем при излучении в осевом направлении, что подтверждают рис. 2.25ж и 2.25з и данные таблицы 6.
Как было упомянуто ранее, по критерию равномерности коэффициента усиления общим для обеих исследуемых антенн является частотный диапазон 12 - 26,5 ГГц, в котором по методике, описанной выше, также был поставлен численный эксперимент. Результатами его проведения являются полученные нормированные временные зависимости сверхкоротких импульсов, проиллюстрированные на рис. 2.30, а также содержание таблиц 8 и 9.
Макетирование и натурные исследования гибридной антенной решетки
Следует отметить, что на рис. 3.19 кривая в виде штриховой линии отражает частотную зависимость КСВн, построенную экспериментально в ходе натурных измерений, когда макет модифицированной щелевой антенны был подключен к тракту измерительной аппаратуры без симметрирующего трансформатора. В связи с этим, особенно в частотной области до 1 ГГц, видны существенные расхождениях в теоретических и практических результатах. Компенсировать данные различия можно, если между антенной и рефлектометром включать симметрирующий трансформатор (который в ходе настоящих исследований был реализован в виде отрезка полосковой линии длиной 300 мм, выполненной на подложке из полистирола (єг =2.56)) толщиной 2 мм, что подтверждается содержанием рис. 3.21. При проведении численного эксперимента, также была учтена модель симметрирующего устройства.
Все же ка рис.3.21 видны некоторые несовпадения графиков, приемлемые для практических результатов, которые можно объяснить влиянием отраженных волн от стен лаборатории (эксперимент проводился не в безэховой камере), наличием в ближней зоне исследуемой антенны корпуса измерительной аппаратуры, влиянием используемых разъемов и стандартных сочленений и т.д.
Эффект, оказанный проведенной оптимизацией антенного устройства на формирование сверхкороткого импульса, виден из содержания рис. 3.22 и таблицы 10. Исследования, касающиеся излучения СКИ модифицированной антенной Вивальди, проводились в двух частотных диапазонах: 0.5-3 ГГц и 0.5 -1.5 ГГц (для Солее подробного рассмотрения влияния согласования на деформацию импульса, то есть в той полосе частот, где эффективность проведенной оптимизации антенного устройства наиболее значительна). На представленных рисунках амплитуды импульсов.пронормированы к своим максимальным значениям, а сами СКИ совмещены по временной оси формально для наилучшего
Расчет содержимого ячеек таблицы 10 проводился тем же способом, что и отыскание соответствующих величин в разделе 2 настоящей работы. Как видно по значениям коэффициента корреляции излученного антенной и возбуждающего сигналов, выигрыш от применения модифицированного излучателя наблюдается лишь в третьем знаке. Что касается эффективной длительности импульса, то уменьшение «растягивания» СКИ по временной оси заметно лишь в диапазоне 0.5 — 1.5 ГГц. Тем не менее, в результате проведенного параметрического синтеза модифицированной щелевой антенны бегущей волны улучшение ее согласования с подводящим трактом играет важную роль в энергетическом смысле: по сути, в результате проведенной оптимизации удалось повысить коэффициент полезного действия антенного устройства, что в свою очередь позволяет передавать в антенну (или принимать с ее помощью) максимум энергии сверхкороткого импульса или сверхширокополосного сигнала. Последнее обстоятельство ведет к повышению чувствительности аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, в состав которой входят антенные решетки, составленные из модифицированных элементов Вивальди.
Исследование возможной применимости гибридных антенных элементов для формирования сверхкоротких импульсов
Возможность создания гибридных антенных элементов в виде симметричных электрических вибраторов, которые запитываются экспоненциально-расширяющимися щелевыми линиями, представляющими собой щелевые антенны бегущей волны, была показана в [89, 98, 99]. Как следует из только что упомянутых источников, применение антенных решеток (АР), составленных из гибридных излучателей (рис. 3.23), позволяет повысить энергетический потенциал комплексов радиопеленгации в высокочастотной области рабочего диапазона за счет использования направленных свойств щелевой линии, представляющей собой на высоких частотах ни что иное, как антенну Вивальди с воздушным заполнением. Поскольку в настоящее время большое внимание уделя а) б) ется исследованиям, связанным с генерацией, излучением, приемом сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов, было бы весьма логичным изучить вопрос, касающийся формирования СКИ сверхширокополосным гибридным излучателем, чему и посвящен данный подраздел.
Исследуемые антенны: а), в) - модели гибридного элемента и гибридной антенной решетки, б), в) - макеты, соответствующие моделям
Методом конечного интегрирования Вейланда [53] проводился анализ исследуемых антенн, и с его помощью были рассчитаны коэффициент усиления и коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн), проиллюстрированные на рис. 3.24 и 3.25 соответственно. Диапазон рабочих частот радиопеленгаторного комплекса, для которого разрабатывалась гибридная антенная система: 0.025 - 3 ГГц, однако по критерию равномерности коэффициента усиления в осевом направлении, целесообразнее для осевом направлении, целесообразнее для формирования СКИ было бы использовать диапазон 2-6 ГГц. С другой стороны, как видно из рис. 3.25, сравнительно хорошим согласованием с подводящим трактом, имеющим волновое сопротивление 75 Ом, гибридный элемент одиночный и в составе АР обладает в полосе 0.3 - 3 ГГц, соответствующей функционированию высокочастотного участка антенны - щелевой линии. По этим причинам дальнейшие расчеты приведены для двух частотных диапазонов: 0.3 - 3 ГГц и 2 - 6 ГГц.
