Содержание к диссертации
Введение
1. Решение электродинамической задачи анализа для зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью при монохроматическом излучении 42
1.1. Геометрия задачи 42
1.2. Метод улучшения характеристик антенных систем и коллиматоров при использовании в краевой части зеркала корректирующего переменного поверхностного импеданса 43
1.3. Особенности поля вблизи ребра неоднородной полупрозрачной импедансной полуплоскости и на стыке такой полуплоскости с идеально проводящей полуплоскостью 48
1.4. Оценка влияния протяженности неоднородной краевой части на структуру электромагнитного поля 57
1.5. Анализ угловых распределений поля вблизи ребра неоднородной импедансной полуплоскости 63
1.6. Постановка задачи анализа для зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью и ее решение 65
1.7. Моделирование полей в ближней зоне антенной системы и в рабочей зоне коллиматора с учетом неоднородной краевой части зеркала 71
1.8. Моделирование поля в дальней зоне антенной системы с неоднородной краевой частью и его анализ 74
2. Характеристики поля зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью в ближней зоне при работе с сигналами наносекундной длительности 77
2.1. Решение задачи нахождения распределения поля в ближней зоне методами спектрального анализа 79
2.2. Моделирование диаграмм формы наносекундных импульсов и исследование их искажения в зависимости от параметров краевой части зеркала 82
2.3. Расчет энергетических характеристик антенной системы и оценка неравномерности распределения энергии для импульсов различной формы 86
2.4. Исследование протяженности рабочей зоны зеркального коллиматора с неоднородной краевой частью 88
3. Характеристики поля в дальней зоне зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью при работе с сигналами наносекундной длительности 91
3.1. Решение задачи нахождения поля и мгновенных диаграмм направленности в дальней зоне антенной системы 93
3.2. Расчет диаграмм формы СКИ в дальней зоне в зависимости от параметров корректирующей части зеркала в разных угловых направлениях 94
3.3. Влияние величины раскрыва зеркала антенной системы на характеристики поля в дальней зоне 97
3.4. Энергетические характеристики поля антенной системы 98
3.5. Предельные размеры дальней зоны антенной системы 100
4. Спектральный анализ поля зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью 101
4.1. Спектральный анализ непериодических сигналов 101
4.2. Анализ спектральных характеристик поля в ближней зоне антенной системы
4.3. Анализ спектральных характеристик поля в дальней зоне антенной системы
5. Характеристики излучения зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью с учетом параметров сигнала и среды распространения
5.1. Отражение СКИ от плазмы и дробно-линейной среды 108
5.2. Энергетические ДН и диаграммы формы излученных импульсов при отражении от плазмы и дробно-линейной среды 112
Заключение 116
Литература 121
- Метод улучшения характеристик антенных систем и коллиматоров при использовании в краевой части зеркала корректирующего переменного поверхностного импеданса
- Моделирование диаграмм формы наносекундных импульсов и исследование их искажения в зависимости от параметров краевой части зеркала
- Расчет диаграмм формы СКИ в дальней зоне в зависимости от параметров корректирующей части зеркала в разных угловых направлениях
- Анализ спектральных характеристик поля в ближней зоне антенной системы
Введение к работе
Становление принципиально новой технологии, особенно в области непосредственной приемо-передачи высокочастотного сигнала, происходит не часто. В последнее время появились коммерческие сверхширокополосные системы UWB (UltraWide Band) [1-6]. Достоинства широкополосной связи - высокая помехозащищенность и адаптивность к реальной эфирной обстановке, низкий уровень сигнала, экономичное использование частотного ресурса, сложность перехвата и постановки прицельных помех. Технология UWB добавила к указанным выдающуюся особенность: изделия на ее основе технически проще большинства аналогичных систем.
Суть технологии - передача маломощных кодированных импульсов в очень широкой полосе без несущей частоты. В эфир излучается не гармоническое колебание, а сверхкороткий импульс, или моноимпульс, длительность которого может колебаться в пределах 0,2—2 не, а период импульсной последовательности составляет от 10 до 1000 не.
В "импульсном радио" информация кодируется посредством временной позиционно-импульсной модуляции. Смещение импульса относительно его "штатного" положения в последовательности вперед задает "0", назад - "1". Время смещения не превышает четверти длительности импульса. Так, в последовательности 0,5-нс импульсов с межимпульсным интервалом 100 не импульс, пришедший на 100 пс раньше, - это "0", на 100 пс позже - "1". Один информационный бит кодируется последовательностью многих импульсов, например 200 импульсов на бит.
Однако возникает проблема разделения каналов передачи. Для этого "штатное" положение каждого импульса сдвигают на время, пропорциональное текущему значению некоторой псевдослучайной последовательности (разделение посредством временных скачков, Time Hopping). При этом время сдвига на один-два порядка выше, чем смещение при временной модуляции. В результате спектр сигнала существенно сглаживается, становится шумоподобным и уже не мешает другим устройствам, работающим в той же полосе.
В отличие от технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), системы импульсного радио используют ортогональные псевдослучайные последовательности не для расширения спектра сигнала (спектр короткого импульса и так достаточно широк), а только для сглаживания его спектральной характеристики, формирования отдельных каналов связи и защиты от помех. С другой стороны, импульсное радио можно рассматривать как предельный случай CDMA, в котором полностью отказались от несущей или, что физически почти то же самое, длительность выходного импульса сделали равной одному периоду несущей.
Одно из существенных достоинств импульсного радио - отсутствие интерференции прямо распространяющегося сигнала с его отражениями от различных объектов. Кроме того, благодаря широкополосности затухание короткоимпульсного сигнала в различных средах достаточно мало - короткие импульсы легко проходят сквозь различные препятствия, поскольку подавление сигнала происходит не во всем диапазоне. Возможности СШП систем связи:
- высокая скорость передачи данных (от десятков до сотен Мбит/с);
- повышение защиты от всех видов пассивных помех;
- повышение защиты от внешнего электромагнитного излучения;
- повышение защиты от многолучевого распространения;
- повышение электромагнитной совместимости;
- увеличение скрытности работы;
- повышение степени защиты информации;
- экологическая безопасность системы.
Впервые в истории радиотехники разрешена одновременная работа в одной частотной полосе СШП и узкополосных систем (Решение Федеральной Комиссии Связи (FCC) США "First Report & Order" от 14 февраля 2002).
Теоретическими разработками в этой области занимается большой круг зарубежных и отечественных специалистов, среди них Х.Ф. Хармут, Дж. Пауэлл, М. Чен, Р. Флеминг, Дж. Д. Тейлор, Л.Ю. Астанин, А.А. Кос-тылев, И.Я. Иммореев, Д.И. Воскресенский, В.Б. Авдеев, А.Л. Гутман, С.А. Подосенов, А.А. Потапов. В СШП системах нет необходимости в использовании мощных усилителей, их приемники не имеют гетеродинов и прецизионных элементов частотной фильтрации, а узлы модуляции и демодуляции сигналов достаточно просты и реализуются средствами обычной цифровой логики без сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Помимо простой передачи информации, интересно применение технологии UWB в области радиолокации [6-14]. Сигналы этой технологии получили название сверхширокополосных (СШП), а локация с использованием этих сигналов, соответственно - СШП локации. Основное ее отличие - использование очень короткого импульса (длительностью порядка наносекунды) для зондирования. В настоящее время экспериментально получены сверхмощные микроволновые импульсы наносекундной длительности двух видов - видеоимпульс, не имеющий четко выраженной несущей частоты, и радиоимпульс с несущей частотой, на один - два порядка превышающей ширину спектра импульса.
В СШП локации повышение информативности происходит благодаря уменьшению импульсного объема локатора по дальности. Так, при изменении длительности зондирующего импульса с 1 мкс до 1 не глубина импульсного объема уменьшается с 300 м до 30 см. Можно сказать, что инструмент, который исследует пространство, становится значительно более тонким и чувствительным.
Генераторы сверхмощных электромагнитных импульсов СВЧ-диапазона могут строиться не только по цепочке преобразования энергии: импульсный генератор - Т-волна - вакуумный диод - пучок - излучение. Так, например, волна напряжения высоковольтного генератора может быть эффективно преобразована в электромагнитную волну при прямом излучении специальной антенной. Характеристики такого импульса существенно отличаются от СВЧ-излучения электронного генератора отсутствием высокочастотного заполнения и относительно большой шириной спектра, которая примерно равна частоте колебания или обратна длительности импульса. Фактически выходной видеоимпульс мощного нано секундного генератора представляет собой одно-два колебания.
Разработки наносекундных высоковольтных генераторов явились развитием традиционной техники формирования, основанной на вырезании короткого импульса из более длинного с помощью обостряющего и срезающего газового разрядника. При этом особое внимание уделялось созданию систем с перестраиваемыми параметрами: амплитудой, длительностью, формой импульса, а также допускающих работу в частотном режиме (с определенной частотой повторения импульсов).
С помощью таких устройств были получены импульсы длительностью 1-5 наносекунд (до 0.5 наносекунд) и выходной мощностью до 300 -400 МВт (с перспективой увеличения до 1 ГВт) с частотой повторения до 100 Гц. При этом стабильность амплитуды импульсов была не хуже 2-3 процентов, а стабильность длительности - не менее 10 процентов. Следует отметить, что проблема стабильности амплитуды и длительности имеет первостепенное значение для моноимпульсной локации, так как в этом случае выделение подвижной цели с малым значением эффективной отражающей площади на фоне большой стационарной помехи осуществляется вычитанием последовательных импульсов отраженного излучения, поэтому изменение амплитуды и формы импульса может в принципе симулировать движение на самом деле неподвижной помехи.
Приведем аргументы, обосновывающие преимущества использования сверхкоротких мощных микроволновых импульсов в моноимпульсной локации. Использование наносекундных импульсов обеспечит хорошее разрешение по дальности (порядка 1 м), что даст возможность обнаруживать и сопровождать движущиеся цели с малой эффективной площадью рассеяния на фоне больших стационарных помех. Измерение скорости цели в традиционных радиолокационных станциях осуществляется по допле-ровской модуляции частоты отраженного импульса. При этом если скорость достаточно велика, то ее определение осуществляется по одному ло-цирующему импульсу. В этом случае есть некоторая минимальная скорость, которая может быть измерена данным способом. Для небольших скоростей применяется также доплеровская оценка по нескольким импульсам пачки. Однако в этом случае есть так называемые "слепые" скорости, когда фаза отраженного импульса меняется на целое число 2п от импульса к импульсу, и цель кажется неподвижной. При определенных условиях таких слепых скоростей может быть достаточно много. При моноимпульсной локации мощными наносекундными импульсами эти проблемы полностью снимаются, так как благодаря высокому разрешению по дальности определение скорости цели происходит по наблюдению ее перемещения по координатам. При указанном соотношении длительности наносекунд-ного импульса и длительности интервала между импульсами (около 0,01 с) проблемы мертвого времени, когда блокирован приемник радиолокационной станции, и невозможно получение информации о целях, практически не существует. Так как при моноимпульсной локации определение всех параметров цели происходит по одному импульсу, то при частоте повторения импульсов в 100 Гц не возникает неоднозначности по дальности. Действительно, за время 0,01 с все эхо-импульсы успевают достигнуть приемной антенны, если максимальная дальность обнаружения не превышает 1500 км, что представляется более чем достаточным для современных радиолокационных установок. Высокое разрешение по дальности позволяет проводить идентификацию целей по отраженному импульсу. Действительно, все детали объекта с размерами порядка 1 м2 (плоскости, винты и т. п.) будут работать как независимые отражатели, создавая "пространственный портрет" цели, что даст возможность классифицировать цели в режиме реального времени по созданным заранее образцам эхо откликов. Высокое разрешение по дальности может дать информацию о высоте низколетящего над относительно гладкой местностью объекта по временному разделению одиночного отклика и диффузного эхо-сигнала от подстилающей поверхности.
Кроме вышеперечисленного, следует отметить, что параметрами ло-цирующего импульса можно относительно просто управлять, изменяя характеристики генератора. Более того, в стационарных радиолокационных установках, организованных по модульно-блочному принципу, может быть использована линейка стандартных генераторов, настроенных на разные частоты и с разными параметрами импульсов, что позволит оперативно изменять характеристики лоцирующих импульсов непосредственно в процессе работы станции. Возможности СШП радиолокации:
- повышение точности измерения расстояния до цели и разрешающей способность по дальности;
- распознавание класса и типа цели, а также получение радиоизображения цели, поскольку принятый сигнал несет информацию не только о цели в целом, но и об ее отдельных элементах; - повышение вероятности обнаружения и устойчивости сопровождения цели за счет увеличения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) цели;
- повышение вероятности обнаружения и устойчивости сопровождения цели за счет устранения «нулей» в структуре вторичных диаграмм направленности (ДН) облучаемых целей, так как колебания, отраженные от отдельных элементов цели не интерферируют;
- повышение устойчивости сопровождения цели под низким углом места за счет устранения интерференционных провалов в ДН антенны, поскольку сигнал, отраженный от цели и сигнал, переотраженный от земли, разделяются во времени, что позволяет произвести их селекцию;
- уменьшение "мертвой зоны";
- повышение устойчивости к воздействию всех видов пассивных помех -дождя, тумана, подстилающей поверхности, аэрозолей, металлизированных полос и т.п., поскольку ЭПР помех в малом импульсном объеме становится соизмеримой с ЭПР цели;
- повышение устойчивости к воздействию внешних электромагнитных излучений и помех;
- повышение электромагнитной совместимости;
- изменение характеристик излучения (ширины и формы диаграммы направленности) путем изменения параметров излучаемого сигнала; в том числе возможность получения сверхузкой ДН;
- повышение скрытности работы.
Применения сверхширокополосных сигналов
Технические и эксплуатационные преимущества UWB позволяют уверенно прогнозировать много интересных применений, например, в следующих областях:
1. Телекоммуникации. UWB-устройства могут служить для соединения самых различных устройств (телефон, телевизор, компьютер и др.) и без труда способны обеспечить передачу видео, аудио и данных. Поэтому про UWB говорят как про "Bluetooth будущего".
2. Радиолокация. В этой области для UWB имеется широкое поле действия. Это авиационные радары коммерческого и военного применения, портативные промышленные радары для мониторинга и контроля процессов, охранные системы. UWB вписываются и в медицинские приложения, такие, как мониторинг работы сердца, органов дыхания и т. п.
3. Задачи позиционирования. Возможность измерения расстояний с точностью до сантиметров позволяет широко использовать системы UWB для определения местоположения различных объектов, дистанционного управления транспортными средствами, промышленными роботами и т.д.
4. Специальные (государственные и военные) применения. Это связано с совокупностью таких свойств, как высокая помехозащищенность, скрытность, малое энергопотребление и простота реализации.
Для реализации нового качества связи, описанного выше, необходима теоретическая база, позволяющая рассчитывать характеристики СШП радаров и определять требования к их элементам, а также создание необходимой аппаратуры: устройств формирования, излучения, приема и обработки СШП сигналов.
Определение сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов
Для определения СШП сигнала введен критерий отношения ширины спектра сигнала к его средней частоте [9,13,14]. Для СШП сигнала эта величина должна быть от 0,2 до 2. Одновременно со сверхширокополосностью, сигнал может быть как длинным, коротким, так и сверхкоротким (СКИ). Вместе с тем и СКИ может быть как узкополосным, широкополосным, так и сверхширокополосным. Для определения СКИ введен критерий L/cx»l, где L - характерный размер антенны (передающей или прием 12ой) или лоцируемого объекта; с - скорость света; т - длительность сигнала. Как уже отмечалось, импульсы наносекундной длительности бывают двух видов - видеоимпульс, не имеющий четко выраженной несущей частоты, и радиоимпульс с несущей частотой, на один - два порядка превышающей ширину спектра импульса. Изменение формы СКИ в процессе локационного наблюдения
При таких распространенных (линейных) преобразованиях сигнала, как сложение, вычитание, дифференцирование и интегрирование, форма синусоидальных и квазисинусоидальных сигналов не изменяется, сигналы имеют такую же форму, как исходная функция, и могут отличаться только амплитудой и сдвигом во времени. Форма генерируемого СШП сигнала при таких преобразованиях подвергается изменениям [7,13]. Эти изменения происходят:
- в ближней и дальней зонах излучающей системы, когда ее размер превышает протяженность импульса в пространстве LI сх »1; импульсный сигнал в антенне преобразуется в суммарный электромагнитный сигнал в пространстве, который имеет разные форму и длительность при различных углах, поскольку зависит от сдвига во времени между импульсами, приходящими в точку приема от разных элементов антенны;
- при отражении сигнала от объекта, когда его размер LI сх » 1; диаграмма рассеяния (ДР) объекта становится зависимой от времени наблюдения - появляется понятие мгновенной ДР, эта зависимость меняется при смене ракурса наблюдения; к дополнительному изменению формы сигнала приводит отличие спектральных характеристик его и объекта;
- при его приеме на "длинную" антенну или антенную решетку, что связано с теми же причинами, что и при излучении;
- при распространении сигнала в атмосфере до объекта и обратно за счет различного затухания разных участков его спектра, а также влияния дисперсионных характеристик среды распространения.
Итак, в процессе локационного наблюдения СШП сигнал неоднократно изменяет свою форму, что требует детального изучения.
В связи с развитием технологий генерации наносекундных импульсов и применения их в практике радиосвязи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы повышенное внимание уделяется изучению особенностей их излучения [15-25]. При этом мощность излучаемого сигнала, обладающего исключительно высокой помехоустойчивостью, существенно ниже окружающего фона.
В настоящее время одним из требований в развитии информационных технологий является повышение пропускной способности радиоэлектронных систем. Осуществление этой цели стало возможным благодаря применению сверхширокополосных (СШП) сигналов, в частности, сверхкоротких импульсов (СКИ) с длительностями порядка единиц и долей наносекунды [1, 7, 26]. В антенной технике для того, чтобы выполнить требования широкополосности используются специальные антенные системы [27-29], в частности, на основе симметричных щелевых линий [30], включая антенны Вивальди [31] и их модификацию [32], микрополосковые антенны различного вида [33]. Для излучения наносекундных мощных видеоимпульсов могут быть использованы, например, Т-рупоры, выполненные в виде неоднородных полосковых линий, сверхширокополосные малогабаритные антенны конформной и плоской конструкций [34] с вибраторами квадратной или треугольной формы.
Много исследований посвящено изучению направленности фазированных антенных решеток (ФАР) при работе со сверхкороткими импульсами. Так в работе [35] рассматривается проблема создания антенных решеток и способ обзора пространства по угловым координатам без использования элементов управления в антенной системе в случае применения СШП-видеоимпульсных и многочастотных радиоимпульсных сигналов. Существенную роль играет исследование взаимосвязей между характеристиками излучения ФАР, формой подаваемых СКИ и параметрами решетки (тип излучающих элементов, их число, расстояние между элементами) с целью минимизации искажения излучаемых сигналов. В то же время при применении антенных решеток смещение луча с частотой делает проблематичным их использование в радиоэлектронных системах, использующих СКИ.
Представляют практический интерес исследования направленности апертурных антенных систем, излучающих сверхкороткие импульсы, с учетом отклонений от идеальных условий их возбуждения. Под этим понимается искажение формы сигнала наносекундной длительности. Существенную роль играет исследование взаимосвязей между характеристиками излучения антенны, формой подаваемых СКИ и параметрами системы (тип антенны, размер апертуры) с целью минимизации искажения излучаемых сигналов. Интерес вызывает и возможность фокусировки импульсного излучения на больших расстояниях [36, 37]. Здесь в качестве передающих целесообразно использовать антенные системы апертурного типа (например, зеркальные), поскольку они имеют достаточную широко-полосность и обладают высокими направленными свойствами [38-40].
Для эффективного построения антенных СШП-систем необходимо развивать и совершенствовать алгоритмы и методы анализа/синтеза их характеристик, которые в настоящее время разработаны недостаточно хорошо (с точки зрения их применения) [26].
Нестационарные электродинамические задачи решаются либо во временной, либо в частотной областях. Оба метода анализа различных антенных систем, работающих с сигналами наносекундной длительности, равноправны. При спектральном анализе исследование волновых процессов проводится с использованием Фурье-преобразования апертурного распределения поля антенной системы и спектра излучаемых сигналов. При временном анализе эти методы и особенности расчета характеристик излучения заменяются прямыми методами суммирования сигналов, излучаемых каждым элементом антенной системы с учетом их запаздывания при распространении в точку наблюдения и учетом искажения формы импульса, длительность которого может составлять единицы и доли наносекунд. Рассмотрим основные работы, основанные на этих методах. Электродинамический метод анализа во временной области
В работе [41] рассмотрены характеристики направленности сканирующих антенных решеток, возбуждаемых сверхкороткими импульсами, имеющими «джиттер». Особенности расчета характеристик фазированных антенных решеток (ФАР), возбуждаемых СКИ, состоят в том, что обычные методы их определения, основанные на преобразовании Фурье апертурного распределения заменяются на прямые методы суммирования сигналов, излучаемых каждым элементом ФАР с учетом их запаздывания при распространении в точку наблюдения [13] и учетом искажения формы импульса в виде так называемого дрожания («jitter»), длительность которого может составлять единицы и доли наносекунд. Наносекундный джиттер представляет собой общий недостаток электронных переключателей, используемых для управления апертурным распределением ФАР. Особенно значительное влияние джиттера при использовании мощных электронных переключателей для сложения большой мощности в заданном угловом направлении, излучаемой ФАР в окружающее пространство. Показано, что на направленность излучения ФАР СКИ джиттер влияет тем сильнее, чем больше его длительность, частота и амплитуда. Особенно сильное влияние на направленность решетки имеет случайный разброс времени возбуждения элементов ФАР СКИ, приводящий к существенному искажению как ее пиковой так и средней ДН.
В [42] рассмотрена приемная антенна для исследования пространственно-временной структуры сверхширокополосных электромагнитных импульсов. В последнее время проводятся исследования по излучению и практическому применению коротких электромагнитных импульсов, пиковая мощность которых может достигать гигаваттного уровня, а спектр занимать полосу частот Аш, =(®max ®mi„) сопоставимую со средней частотой спектра со0 = (соиах + со,ш„)/2. При этом возникает проблема выбора приемной антенной системы для регистрации пространственно-временной структуры поля электромагнитного импульса. Она должна обеспечивать минимальные искажения, как формы регистрируемого импульса, так и пространственной структуры поля, т.е. зависимость от времени напряжения на нагрузке приемной антенны должна повторять зависимость от времени электромагнитного поля в точке приема, а напряженность рассеянного поля должна быть существенно меньше напряженности регистрируемого поля. Представляется естественным использовать для приема коротких электромагнитных импульсов антенны, полосы рабочих частот Асоа которых превышают ACQ,W,. Для приема сверхширокополосных импульсов можно использовать дипольные антенны, длина которых меньше минимальной длины волны в спектре принимаемого импульса. Такие антенны имеют устойчивый фазовый центр, слабо зависящие от частоты форму диаграммы направленности и поляризационную характеристику, однако их импеданс имеет достаточно сильную частотную зависимость.
В [43] рассмотрены вопросы излучения и регистрации негармонических широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ). Дан новый аналитический метод расчета полей во временной области от сложных структур и взаимодействие полей с объектами. Рассмотрен обобщенный коррелятор полей обратного рассеяния, позволяющий определить их пространственные коэффициенты корреляции и частотные функции когерентности с учетом ширины диаграммы направленности антенны и корреляции наклонов поверхностей в трехмерной модели рассеяния модулированных волн. Теория применима при радиолокации и приеме сигналов от произвольно движущихся ускоренных аппаратов как вблизи земли, так и от далеких космических объектов. Один из подразделов посвящен новому методу расчета импульсного излучения антенны с рефлектором, как в ближней, так и дальней зонах. Метод основан на замене поля излучения от параболического зеркала полем излучения от отраженной в зеркале V - образной антенны.
В работе [44] проведено исследование электромагнитных полей во временной области. Получены решения уравнений Максвелла во временной форме в виде выражений, описывающих электромагнитное поле вибратора при заданном распределении возбуждающего тока на поверхности излучателя, с использованием электродинамических потенциалов.
На основе решений уравнений Максвелла во временной области методом конечных разностей в [45] решается прямая задача рассеяния с обработкой результатов моделирования, расчетом поля в дальней зоне, частотных характеристик и коэффициентов матрицы рассеяния. Для повыше достоверности диагностики и идентификации подповерхностных областей и объектов по результатам радиозондирования решается обратная задача с помощью метода вычислительной диагностики. Метод основан на минимизации некоторого сглаживающего функционала, состоящего из функционала невязки между результатами измерений выборок рассеянного объектами электромагнитного поля и результатами решения модельной прямой задачи, а также стабилизирующего функционала, который учитывает априорную информацию об электрофизических и геометрических па раметрах зондируемого объекта (среды).
Метод улучшения характеристик антенных систем и коллиматоров при использовании в краевой части зеркала корректирующего переменного поверхностного импеданса
Если считать, что поле в раскрыве зеркальной антенной системы слабо меняется вдоль поверхности на расстояниях, сравнимых с длиной волны X, то описание задачи дифракции можно провести в терминах локальных коэффициентов отражения R, учитывая их зависимость от координаты [71]. Рассеянное поле можно считать квазилокальным при выполнении условия \gvadR\«koR, где к0 = 2п/Х - волновое число. При реализации плавно-неоднородных слоев с переменными вдоль поверхности зеркала коэффициентами отражения, прозрачности и поглощения, обеспечивающими регулирование амплитудных распределений в раскрыве зеркала и снижение краевых эффектов на кромках зеркала, целесообразно изменять поверхностное сопротивление металлизированного слоя зеркала путем изменения его толщины d. При этом, когда d меняется от величины, превышающей толщину скин-слоя, до величины, существенно меньшей толщины скин-слоя, поверхностное сопротивление также изменяется от значений, близких к нулевым, до сотен и тысяч Ом. Используя свойство сверхтонких проводящих пленок поглощать электромагнитную энергию [72], такой переход можно провести непрерывно без скачка электромагнитных параметров, реализуя в краевой части зеркала требуемую величину коэффициента прозрачности.
Исследование поведения коэффициента отражения показывает, что появляется фазовый сдвиг ф = arctg (2р/р0)(1- (2р/р0)" при отражении и возникает зависимость его от частоты, выраженная через р поп Оценки пределов изменения модуля и фазы коэффициента отражения в переходной области в достаточно широком сверхвысокочастотном диапазоне показали, что модуль коэффициента отражения отличается от единицы всего лишь в четвертом - пятом знаках, а максимальный фазовый сдвиг не превышает 0,3 град, при горизонтальной поляризации поля для любых углов падения. Оценки также подтвердили, что возникающими в этой области амплитудными и фазовыми искажениями можно пренебречь. Коэффициент поглощения D - 1 - \R\ -17] сверхтонкой пленки носит характер релаксационной зависимости от нормированного поверхностного сопротивления 2р/р0.Соответствующие зависимости \Щ , 17] и D представлены на рис.4. Учитывая, что при замене поверхности краевой части зеркала металлизированным слоем с переменным поверхностным сопротивлением такой слой оказывается полупрозрачным, за ним на некотором расстоянии от зеркала должна быть расположена структура из радиопогло-щающего материала определенной формы, которая позволит свести к минимуму влияние структуры на работу металлизированного слоя.
Задачу нахождения радиального закона изменения поверхностного сопротивления металлизированного слоя по известному исходному амплитудному распределению поля FK, реально существующему в раскрыве зеркала, можно рассматривать в целом как обеспечение требуемого распределения FTP с учетом необходимого уменьшения дифракционных эффектов и собственно коррекции амплитудного распределения. При создании требуемого корректирующего распределения необходимо обеспечить изменение коэффициента отражения от поверхности зеркала по закону:
Несколько иные требования предъявляются к амплитудному распределению в раскрыве зеркала антенны, которые также могут быть реализованы за счет применения металлизированной пленки с переменным поверхностным сопротивлением. Допустим, что исходное амплитудное распределение, создаваемое в раскрыве зеркала, близко к косинусоидальному, а требуемое для снижения влияния затенения распределение близко к квадратичному косинусоидальному. Это может обеспечить закон изменения коэффициента отражения по радиусу, описываемый формулой: R(r) = cos2(l,34 г) I cos(l,47 г), где численные коэффициенты в аргументах определяются из краевых условий для рассматриваемых амплитудных распределений в раскрыве зеркала антенны. На рис.7 показаны расчетное (сплошная линия) и требуемое (пунктирная линия) распределения поля в раскрыве зеркала, при этом не накладываются ограничения на энергетические потери. В то же время расчет последних показывает, что они составляют около 35%. Если принять, что потери не превышают 7%, то г 0,6. Таким образом, принципиальным отличием рассмотренного метода от известных является возможность снижения краевых эффектов в широком диапазоне волн фактически без изменения фазового распределения; одновременно может быть обеспечена коррекция амплитудного распределения в раскрыве зеркала антенны или коллиматора путем изменения поверхностного сопротивления металлизированного слоя зеркала. Кроме того, возникающие на зеркале поверхностные волны будут затухающими, поскольку Rew 0 в краевой части при толщине металлизированного слоя d A (w=PnoB - поверхностный импеданс).
Моделирование диаграмм формы наносекундных импульсов и исследование их искажения в зависимости от параметров краевой части зеркала
Осуществлено также моделирование диаграмм формы излучаемых сигналов [93] зеркальной антенной системой в ближней зоне. Результаты приведены на расстоянии z = 0,25с/ для симметричного (рис.26,а) и несимметричного (рис.26,6) прямоугольных импульсов и гауссова импульса в точках x/d= 0; 0,25; 0,45, соответствующих середине раскрыва, промежуточной и близкой к краю зеркала.
Следует отметить, что наибольшие искажения имеют место для прямоугольного несимметричного импульса, а при отходе от середины раскрыва зеркала к краю уменьшается только амплитуда импульсов. Эта тенденция сохраняется как в случаях постоянного, так и переменного импеданса.
Высокой информативностью обладают пространственно-временные распределения полей при возбуждении антенной системы СКИ, когда наглядно отображается взаимосвязь между формой импульса в пространстве и распределением поля в разные моменты времени. Пространственно-временные диаграммы (время наблюдения / координата вдоль раскрыва) для прямоугольного симметричного импульса приведены в раскрыве антенны (рис.27) и на условной границе рабочей зоны для z=2,5d (рис.28).
Анализ их показывает, что наибольшая неравномерность наблюдается у биполярного (6) и экспоненциальных (4, 5) импульсов второго и третьего порядков, а наименьшая - у импульсов, описываемых разностью полиномов Ла-герра второго (9), третьего (10) и четвертого (11) порядков. Распределения для прямоугольного (1) и треугольного (7) импульсов наиболее близки к распределению, полученному при восстановлении частотного спектра антенной системы: W(x,z)=QE((o,x,z)\ d.
С увеличением расстояния от раскрыва зеркальной антенной системы ширина Ах сужается, и увеличивается амплитуда осцилляции. Расстояние, при котором для заданной ширины распределения (например, Ах =±37,5% от центра) неравномерность, характеризующая отклонение от значения в центре зеркала, не превышает заданного значения, будем считать рабочей (ближней) зоной антенной системы [94, 95]. Протяженность зоны имеет достаточно большой диапазон (от 1,5d до Ad) и зависит от многих параметров. Рассмотрим влияние некоторых основных параметров зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью на протяженность рабочей зоны в коллиматорном случае.
При рассмотрении зависимости протяженности рабочей зоны zp.3, от значения неравномерности А (рис.35) имеет место тенденция "насыщения", после значения А=0,04 протяженность рабочей зоны с увеличением неравномерности меняется мало, поэтому это значение выбрано как расчетное.
Анализ зависимости протяженности ближней зоны зеркальной антенной системы (рабочей зоны коллиматора) от сопротивления в центре (w0.5= 100 - 300 [Ом/П]) и на краю (w != 800 - 2000 [Ом/D]) при 15% краевой части зеркала коллиматора с переменным поверхностным импедансом (рис.36) показал, что при определенном сочетании параметров w0_5=200 [Ом/D] и w 1=2000 [Ом/О] имеется максимальное значение протяженности рабочей зоны - около Ad. Эти параметры соответствуют распределениям поверхностного импеданса на краю, представленным на рис.22,6 и в, максимальная протяженность рабочей зоны соответствует кривой 3. Рис.36
Зависимость протяженности рабочей зоны (рис.36) от сопротивления в центре 15% края коллиматора (в пределах w0.5= 100 - 300[Ом/П]) и от сопротивления на краю wi=800 - 2000 [Ом/D] показывает, что протяженность рабочей зоны можно менять в пределах от d до Ad. Для монохроматического сигнала на длине волны XQ=Q,Q2d это значение не превышает 2+2,5d.
Моделирование распределений в рабочей зоне однозеркального коллиматора подтвердило возможность эффективного применения зеркальных антенных систем с неоднородной краевой частью при работе с сигналами наносекундной длительности. В этом случае, меняя распределение поверхностного импеданса в краевой части, возможно изменять характеристики зеркальной антенной системы (распределение поля и энергии в ближней зоне, протяженность рабочей зоны, диаграммы формы сигнала).
Так, увеличение протяженности краевой части до 15% приводит к уменьшению неоднородности поля (меньше 5%) и увеличению протяженности рабочей зоны (до 2d). Увеличение значения сопротивления на краю позволяет дополнительно увеличить протяженность краевой части до Ad. Эти же параметры позволяют добиться меньшего искажения формы сигнала. С увеличением длительности импульса характеристики антенной системы только улучшаются.
Расчет диаграмм формы СКИ в дальней зоне в зависимости от параметров корректирующей части зеркала в разных угловых направлениях
Временные характеристики (диаграммы формы) излучаемого сигнала в разных угловых направлениях ф = 0, 1,3 [град], соответствующие рассмотренному случаю (рис.38) - симметричному прямоугольному импульсу и отсутствию корректирующего импеданса, представлены на графиках рис.39. При увеличении угла длительность импульса увеличивается (он расплывается), а амплитуда сигнала уменьшается.
Переход к зеркальной антенной системе с неоднородной краевой частью позволяет улучшить диаграммы формы при углах ф, больших 0 (хотя они несколько ухудшаются при угле ф = 0). Рис.40,а, б соответствуют случаям: 1) d=\5%, wo,5 =100 [Ом/D] и wi =200 [Ом/D]; 2) d=45%, w0f5 -250 [Ом/D] и Wi=2000 [Ом/D] и неравномерному распределению функции ис 95 точника а(ф)=соБф. В последнем случае выбора параметров неоднородной краевой части наблюдаемый эффект усиливается.
Анализ диаграмм формы для несимметричного (смещенного во времени) прямоугольного импульса в рассмотренных выше случаях отсутствия (рис.39) и наличия (рис.40) корректирующего переменного поверхностного импеданса показал, что имеет место изменение формы и при угле ф = 0, а не только при углах ф 0. Эффект возможности получения одинаковой формы излучаемых сигналов в разных угловых направлениях (в определенном угловом секторе) подтверждают полученные для несимметричного прямоугольного импульса соответствующие диаграммы формы сигналов (рис.41- 43). Кроме того, появляется так называемый «временной хвост».
Таким образом, вариацией параметров распределения переменного поверхностного импеданса в краевой части зеркальной антенной системы возможно целенаправленное изменение характеристик излучения (диаграмм формы СКИ) с целью уменьшения их искажения. На рис.44 представлены мгновенные, полученные в начальный момент времени ґ=0 диаграммы направленности, соответствующие равномерному распределению поля зеркальной антенной системы, для разных раскрывов (d - Юст; ЮОст; 266ст). Из их анализа можно сделать вывод, что боковые лепестки отсутствуют, а условная ширина луча (по полю) антенной системы, работающей с СКИ, растет при уменьшении ее раскрыва.
С уменьшением раскрыва антенны увеличивается диапазон углов, в пределах которого амплитуда сигнала остается постоянной, при больших углах амплитуда сигнала увеличивается, при этом длительность импульса -уменьшается. Аналогичное исследование влияния величины раскрыва на энергетические диаграммы направленности будет проведено в разделе 3.4. 3.4. Энергетические характеристики поля антенной системы
На рис.45 приведены энергетические характеристики поля, рассчитанные для разных форм сигналов длительностью т=0,5 не: симметричного (1), несимметричного (2) прямоугольных импульсов и гауссова (3) импульса в случае дальней зоны антенной системы (раскрывом d=266cx и а(ф) = const) с распределением поверхностного импеданса: dn=l5%, w0,5=100 [Ом/D], wi=200 [Ом/D]). Изменением распределения импеданса (4=45%, w0=0, w0.5=200 [Ом/D], =2000 [Ом/П]) можно добиться, чтобы энергетические диаграммы направленности практически не зависели от формы импульса - график 4 рис.45 охватывает рассмотренные выше формы СКИ. На рис.46, представлены зависимости энергетических диаграмм направленности зеркальной антенной системы с распределением поверхностного импеданса 04=30%, w0=0, w0.5=200 [Ом/D], w,=2000 [Ом/D]) от величины раскрыва d: 1 - 266ст; 2 - 100ст; 3 - Юсх (т=0,5 не).
При моделировании характеристик излучения в дальней зоне, ее оценка проводилась из соображений, что при изменении расстояния z значения поля Е в дальней зоне меняются пренебрежимо мало. Энергетический критерий дальней зоны [40]: rz =2R /(схІЛ[р), где /7=0,01, R=d /2 I 00 00 половина раскрыва антенны, т; = 112 Jco \S( o)\ dco/ Jco \S((o)\ d . Для ra V о о уссова импульса и рассматриваемой зеркальной антенной системы R = ІЗЗсх; вычисленное значение дальней зоны rz=667d совпало с полученным при численном моделировании. Для прямоугольного импульса это значение существенно больше и не может быть оценено теоретическим путем. Проведенные исследования по применению зеркальных антенных систем с неоднородной краевой частью подтверждает возможность эффективного их использования при работе с сигналами наносекундной длительности. Наблюдаются общие закономерности характеристик излучения в дальней зоне с антеннами других типов, работающих с СКИ.
Подбором распределений поверхностного импеданса в краевой части зеркала (протяженности d,f=30%, значений поверхностного импедансов в центре w0.5=200 [Ом/D] И на краю неоднородного участка Wi=2000 [Ом/П]) возможно целенаправленное изменение характеристик излучения (мгновенных и энергетических диаграмм направленности, диаграмм формы СКИ) с целью их улучшения и уменьшения искажения формы сигналов наносекундной длительности. Величина раскрыва антенной системы (при соблюдении условия d»cx) не влияет на полученные результаты (при этом с уменьшением диаметра раскрыва увеличивается диапазон углов, при котором форма сигнала близка к форме импульса, излучаемого по нормали).
Анализ спектральных характеристик поля в ближней зоне антенной системы
Спектральная характеристика зеркальной антенной системы с постоянным поверхностным импедансом представляет собой АЧХ полосно-пропускающего фильтра с узкой шириной полосы пропускания (рис.50 график 1 для ближней зоны и рис.52 график 1 для дальней зоны). Изменение распределения поверхностного импеданса зеркала за счет протяженности неоднородного края позволяет значительно расширить полосу частот. На рис.50 представлены амплитудно-частотные характеристики зеркальной антенной системы диаметром /=26601 в ближней зоне (д:=0, z=0,425d): 1 - без корректирующего импеданса; с неоднородной краевой частью (с параметрами w0=0, w05=lOO [Ом/П], м і=200 [Ом/П]) при ее протяженностях d„: 2 - 10%, 3 - 15%, 4 - 20%. Как следует из рис.50 уже при протяженности 15% амплитуда поля в диапазоне сот от 0,5л; до 9л остается постоянной.
Исследование спектральных характеристик зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью подтвердило возможность увеличения относительной рабочей полосы частот свыше 400% с целью использования таких антенных систем при работе с сигналами наносекундной длительности. Полученные при этом параметры распределения поверхностного импеданса совпали с параметрами, полученными в разделах 2 и 3.
Методами спектрального анализа исследовано влияние среды распространения на искажение наносекундных импульсов, а также взаимосвязь между характеристиками излучения антенной системы, параметрами импульса и среды распространения [58 - 60, 99-104]. Рассмотрено отражение СКИ от бесстолкновительной плазмы и дробно-линейной среды, которые имеют дисперсию постоянной распространения волноводного типа и близкие спектральные характеристики коэффициента отражения. Находятся энергетические ДН и диаграммы формы излученных импульсов при отражении от этих сред, моделирование проводится для разных критических частот.
При моделировании процессов распространения сверхкоротких импульсов в качестве среды с частотной дисперсией (диспергирующей) рассмотрена плазма, к которой относится такая естественная среда, как ионосфера, а также некоторые искусственные плазменные образования. Она представляет значительный интерес, потому что многие электродинамические системы в той или иной степени связаны с распространением электромагнитных волн в ионосфере. В первом приближении ионосфера может рассматриваться как плазма без и с учетом столкновений электронов. При моделировании процессов распространения сверхкоротких импульсов в качестве неоднородной выбрана дробно-линейная среда, имеющая убывающий показатель преломления. Как было показано [59], бесстолкновительная плазма и дробно-линейная среда обладают определенным видом дисперсии постоянной распространения у () (дисперсией волноводного типа): у(со) = к (1 - (УКР?)Ш - к (1- (юкр/со)2),/2, к =со/с (46)
Дисперсия волноводного типа свойственна (с точки зрения теории колебаний) системам с одним резервуаром энергии и наличием дополни-тельной степени свободы в бесконечности. Для плазмы (Юр/со) ) . Роль критической частоты выполняет плазменная частота сор, т.е. сокр=сОр. На частоте резонанса (со=сокр) постоянная распространения у=0, при со юкр волна из распространяющейся становится затухающей (у - чисто мнимая). Дисперсионные эффекты в неоднородной среде также связаны с резонансными явлениями.
Спектральные характеристики модулей коэффициентов отражения для бесстолкнови-тельной плазмы и дробно-линейной среды весьма близки, следовательно, можно предположить, что и отраженные импульсы будут иметь определенное сходство для этих сред. В то же время следует отметить, что дробно-линейная среда обладает более высокими отражательными свойствами, чем плазма на одних и тех же частотах со соКр- Проведенное моделирование подтверждает это предположение.
