Введение к работе
Актуальность темы. Широкое применение апертурних антенн в радиолокации и системах связи вызвало интенсивное развитие теории апертурних антенн и методов их измерений, основанных в большей степени на отой теории. В связи с трудностями помещения ооида в дальнюю зону измеряемой антенны, в начале 70-х широкое развитие получили методы измерения параметров антенн в ближней зоне. Вплоть до конца 80-х годов оти методы развивались, в основном, для достаточно узкополосных антенн (относительная полоса 5..20%). Однако в последнее время интенсивно ведутся разработки сверхширокополосных радиолокационных и связных антенн, а также методов измерения их характеристик. В сверхшнрокополос-ных системах часто используются зеркальные антенны с широкополосными излучателями и антенные решетки из широкополосных элементов [С. Е. Ваит, "Impulse Radiating antennas",in book U-WB, Short-Pulse Electromagnetics, ed. by Bertroni et ah, Plenum Press, 1903]. Основной особенностью этих антенн является излучение и прием сигналов со сложной временной зависимостью при относительной полосе частот, достигающей нескольких единиц и более. Для анализа их работы требуются: а) методы расчета полей широкополосных апертурних антенн; б) методы измерения их характеристик.
Поля таких антенн могут быть описаны: а) как серия пространственных зависимостей на разных частотах; б) как пространственно-временные зависимости. Эти подходы в принципе оквивалеитны и должны приводить к одинаковому результату. Однако, каждый подход позволяет выявить свои закономерно с ги формирования поля. В настоящей работе основное внимание уделено особенностям формирования н измерения поля во временной области в ближней и дальней зонах.
Исторически, для исследования полей антенн и разработки мето-, дов преобразования измеренных полей (например из ближней зоны в дальнюю) применялись методы, предполагающие использование монохроматических сигналов. Апертурная теория антенн возникла еще в пятидесятых годах. Для анализа ближнего поля использовались различные формы функций Грина. Подходы к решению этой задачи обсуждались в монографиях [С. J. Bouwkamp, "Diffraction theory," Rep. Progr. Phys., vol. 17, pp. 35-100, 1954] n [Сканирующие антенные системы СВЧ: Пер. с англ./ Под ред. Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. Т. 1.- М.: Сов. радио, 1966]. Ис-
пользование для качественного описания поля в непосредственной близости от апертуры приближения Френеля рассмотрено в [R. С. Hansen and L. L. Bailin, "A neu/ method of near field analysis," IRE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-7, pp. 458-467, Dec. 1959). Сами выражения для поля в этом случае носят достаточно сложный характер. Для апертур простейшей формы (круглой, прямоугольной) ПО.ІЄ представляется либо с помощью разложения по специальным функциям для круглой плоской апертуры, либо комбинацией интегралов Френеля для прямоугольной апертуры.
Другим классическим методом анализа ближнего поля апертурних антенн является метод разложения по плоским волнам. Сам спектральный подход был впервые использован Зоммерфельдом в 1896 году для описания проблемы днффракцни поля на полуплоскости и клине [A. Sommerfeld, Math. Ann., vol. 4?i P- S17, 1896] (копия [Л. Sommerfeld, Optics, New York: Academic Press, 1954, PP-245-265]. В работе [Я. G. Booker and P. C. Klemmow, "The concept of an angular spectrum of plane waves," J. Inst. Elec. Eng., vol. 97, pp. 11-17, 1950] ближнее поле было описано с использованием углового спектра плоских волн. Данный подход был впоследствии расширен на трехмерное пространство [/. Brown, "Theoretical Analysis of Some Errors in Aerial Measurements," J. Inst. Elec. Eng., vol. 105 (part C), pp. 343-351, Feb. 1958]. В 1970 году появились работы [D. М. Kerns, "Corrections of near-field antenna measurements made with an arbitrary but known measuring antenna," Electron. Lett., vol. 6, p. 346, May 28, 1970], [D. M. Kerns, "New method of gain measurement using two identical antennas," Electron. Lett., vol. 6, p. 348, May 28, 1970], [R. C. Baird, A. С Newell, P. F. Wacker and D. M. Kerns, "Recent experimental results in near-field antenna measurements," Electron. Lett., vol. 6, p. $49, May 28, 1970] использующие метод разложения по плоским волнам для определения коэффициента усиления и диаграммы направленности (ДН) антенны с использованием передаточной функции антенна-зонд в ближней зоне. Отметим так же работы [D. С. F. Wu and R. С. Rudduck, "Application of plane wave spectrum representation to radome analysis," in 1970 Proc. Symp. Electromagn. Windows, (Georgia Inst. Technol., Atlanta, Ga., pp.29-31, July))x [R. C. Rudduck, D. C. F. Wu and M. R. Intihar, "Near-field analysis by the plane-wave spectrum approach," IEEE Trans., vol. AP-21, pp. 231-234, Mar. 1973], доказывающие эффективность метода разложения по плоским волнам для анализа ближнего ноля круглой плоской апертуры с равномерным распределением.
С особой остротой проблема анализа ближнего ноля встала при
обсуждении оптимального расстояния апертура-оонд при намерениях параметров антенн методом ближней зоны. Примем дискуссии по поводу выбора величины шага пространственной дискретизации и использования фильтрации при анализе поля в непосредственной близости от апертуры яедутся длительное время [J. J. Н. Wang, "An examination the theory and practices of planar near-field measurements," IEEE Trans., vol. AP-36, no.6, pp. 746-753, June 1988]. Отметим, что подобная неопределенность при анализе поля методом разложения по плоским волнам возникает не только в ближней зоне, но и на оси апертуры в зоне Френеля (см., например, [R. L. Lewis and А. С. Newell, "An efficient and accurate method for representing power density in the near-zone of microwave antennas," IEEE Trans., vol. AP-S6, pp. 890-901, June 1988)).
Следует упомянуть российские работы [Бахрах Л. Д., Кременсц-кий С. Д., Курочкин А. П. и др. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. -Л.:Наука, 1985. -272 с], [За-харъев Л. II., Леманский А. А.,Турчин В. И. и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. Под ред. II. М. Цейтлина. М.:Радио и связь, 1985.-368 с.]; исследующие методы преобразования измеренного ближнего поля в дальнее и описывающие преобразование полей методом разложения по плоским, цилиндрическим II сферическим гармоникам и методом, основанном на интегральном представлении с использованием функции Грина поверхности сканирования. Для плоской поверхности сканирования метод не отличается от разложения по плоским Полкам, а для криволинейной (цилиндр, сфера) при малой кривизне поверхности использует сравнительно простые интегральные соотношения.
При прямых измерениях ДІЇ в дальней зоне также существуют некоторые неопределенности, связанные с минимальным необходимым расстоянием между антеннами. Хорошо известный критерии дальней зоны До = 2P„/A ( Д,-диаметр измеряемой антенны, А-длина волны), предполагающий малые размеры зондовой антенны, оказывается действительным только для случая распределения поля по апертуре близкого к равномерному. При измерениях антени с низким уровнем боковых лепестков^ например, при тейлоровском распределении ноля но аііерту. е требуется большее расстояние между антеннами [J. R. Menizer, Scattering and Diffraction of Radio Wave, Elmsford, NY:Pergamon, 1955, ch. 5]. При реальных измерениях, для увеличения уровня принимаемого сигнала, наиболее удобен случай, когда пондовая антенна имеет размер сравнимый с размером измеряемой антенны. Одесь, по аналогии со случаем малого зонда, обычно используется критерий Лі = 2(Д, + Db)7/А (ДгДиаметр
оондовой антенны). Однако в работах [D. R. Rhodes, "On minimum range for radiation patterns," Proc. IRE, vol. .42, рр.10\8-Ц10, Sept 1954], [E. V. Jull, "An investigation of near-field radiation patterns measured with large antennas," IRE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-10, pp. 363-369, 1962], [T. Uno, S. Adachi "Range distance requre-ments for large antenna measurements," IEEE Trans, of AP, vol. AP-37, pp. 707-720, June 1989] было показано, что для случая равных размеров апертур обеих антенн применение критерия Rq не вносит сколько нибудь существенных ошибок в измеренную диаграмму направленности.
Естественно, что при расчете и измерении полей и характеристик сверхширокополосных антенн на основе монохроматических методов все проблемы, характерные для отих методов, значительно усложнятся. Поэтому интерес представляет временной подход к анализу таких антенн. По сравнению с частотным подходом, при излучении коротких (практически без заполнения) импульсных сигналов более информативными являются временные зависимости излучаемых сигналов, вид которых зависит не только от пространственных характеристик на каждой частоте, но и от изменения фазовых характеристик (например, изменение положения фазового центра первичного излучателя) в зависимости от частоты. Разработка временного подхода к анализу антенн должна включать как собственно методы расчета поля, так и методы пересчета поля из ближней зоны в дальнюю. Эти методы предполагают использование сверхкоротких импульсных сигналов. Следует отметить, что при измерениях параметров широкополосных антенн существует альтернативный метод измерений с синтезом временной области, путем измерений амплитуд и фаз сигналов на сетке частот и последующего преобразования Фурье. Данный метод позволяет использовать серийные амплнфа-зометры и синтезаторы частоты, однако при измерениях возникает ряд проблем, связанных с ограничением динамического диапазона и т.д.
Цель работы. Целью настоящей диссертации является разработка методов расчета и измерений характеристик апертурных антенн с использованием сверхкоротких импульсных сигналов.
Научная новизна.
1. С помощью предложенных методов вычисления полей сверхширокополосных апертурных антенн во временной области получены точные выражения для временной зависимости поля во всех точках полупространства перед апертурой, в предположении, что каждая точка апертуры излучила 6- импульс, с учетом диаграммы направленности каждого элемента апертуры.
-
Разработан новый метод расчета монохроматических полей апертурных антенн на основе их нмпульсно-переходных характеристик, выяснены условия его применения и преимущества по сравнению с классическими методами.
-
Исследована структура импульсного отклика апертурной антенны. Показано, что импульсный отклик в прожекторном луче в ближней ооне состоит из двух разделяющихся по времени грихода компонент, первая из которых не зависит от координат точки наблюдения и диаграммы направленности оондовон антенны и определяется точностью изготовления поверхности апертуры, а вторая компонента является зависимой от всех вышеперечисленных факторов. Показано, что временной отклик апертурной антенны в дальней зоне и, соответственно, семейство ДН антенны в частотной области, восстанавливаемые предложенным в работе методом, определяются, в основном, первой компонентой временной зависимости поля в ближней зоне и не зависят от вида измерительной поверхности и ее положения относительно измеряемой антенны, так же как и от характеристик направленности оондовон антенны.
-
Объяснен и проанализирован эффект снижения уровня боковых лепестков диаграммы направленности при измерениях больик» оондовон антенной на конечном расстоянии от измеряемой антенны.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
а) разработай эффективный метод измерений широкополосных
антенн;
б) показана возможность высокоточных измерений параметров
антенн без использования дорогостоящих безэховых камер с неболь
шими расстояниями до переотражающих предметов;
в) проанализированы погрешности определения параметров ан
тенн во временной области;
г) обеспечена скрытность для постороннего наблюдателя частот
ных характеристик исследуемых антенн;
д) разработаны и апробированы методики, алгоритмы и про
граммы для расчета и измерений параметров антенн во временной
области;
е) показано, что требуемле расстояние до измерительной ан
тенны может быть снижено в несколько раз при прямых измерениях
диаграммы направленности.
К защите предъявляются следующие основные положения:
а) предложены и исследованы методы преобразования временных .
зависимое гей поля антенны в ближней зоне в поле в дальней ионе в
частотной и временной области;
б) предложен метод расчета полей во временной области и вве
дено понятие импульсной переходной характеристики апертурних
антенн;
в) на основе предложеного метода расчета полей исследовано вли
яние характеристик а он да и поверхности сканирования ближнего
поля на восстанавливаемую ДН;
г) предложена и экспериментально апробирована методика изме
рений параметров антенн во временной области в ближней ооне;
д) разработан макет измерительной установки на базе V - образ
ной сверширокополснои оондовои антенны, стробоскопического ре
гистратора и измерительно-вычислительного комплекса.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на XX Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (ИРФЭ, Ереван, 1985 г.), на IV Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение антенных измерений" (ВНИИРИ, Ереван, 1987 г.), на всесоюзной научно-технической конференции "Применение сверхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геофизике" (Красноярск, 1991 г.), на международной коференции "Теория и техника антенн" (Москва, 1994), на международном симпозиуме EUROEM-94 (Франция, Бордо), на XII международном конгрессе по электромагнитной совместимости ЕМС-94 (Польша, Вроцлав), на международной конференции по точным электромагнитным измерениям СРЕМ'94 (США, Боулдер), на международном симпозиуме по антенам JINA'94 (Франция, Ницца), на IX международной конференции по антеннам и распространению радиоволн ICAP'95 (Нидерланы, Эиндховен), а также на семинарах НИРФИ.
Публикации Основные результаты опубликованы в полных статьях в центральной печати, в книгах и трудах зарубежных симпозиумов [1-6], а также в препринтах [7,8] и тезисах докладов научных конференций [11-24]. Предлагаемый метод измерения параметров антенн в ближней зоне защищен авторскими свидетельствами [9,10].
Стуктура и объем работы Диссертация состоит ио введения, трех глав и заключения. Объем диссертации 100 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка и список литературы, содержащий 68 наименований.
