ГлавнаяКарта сайтаНапишите намПоиск по сайту
EDS-Soft
ElectroDynamic Systems Software ScientificTM
Radiolocation Systems ResearchTM



Antenna Array


Дифракция

Явление отклонения распространения волны от законов геометрической оптики.

(из «Словаря терминов» нашего сайта)






Владимир Васильевич Корышев, ведущий научный сотрудник Калужского НИИ, кандидат технических наук.


Виктор Иванович Чулков, ведущий научный сотрудник Калужского НИИ.
Является автором и руководителем проекта “EDS–Soft” (с 2002 года).
Постранично

Численный анализ уровня развязки между передающей и приемной широкополосными антенными решетками с учетом диаграммо-образующих устройств



Опубликовано: 25.03.2008
© В. В. Корышев, В. И. Чулков, 1996. Все права защищены.
© EDS–Soft, 2008. Все права защищены.


В условиях высокой насыщенности современных радиосистем антеннами различного назначения большая роль отводится увеличению развязки между антенными решетками (АР), расположенными в ограниченном объеме, в секторе углов до ±600 в главных плоскостях и полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее двух. При этом необходимая величина развязки между выходом приемной АР и входом передающей АР может достигать -100...-130 дБ.

Анализируя величину связи между АР, обычно рассматривают следующую схему построения [1] (см. рисунок): L активных излучателей плоской двумерно-периодической решетки подключают к выходам первого диаграммо-образующего устройства (ДОУ1) излучающей подрешетки, М излучателей подсоединяют к некоторому пассивному устройству (например, нагружают на согласованные сопротивления) развязывающей подрешетки, а N пассивных излучателей подключены к выходам второго диаграммо-образующего устройства (ДОУ2) приемной подрешетки. Основное внимание при этом уделяется выбору матриц рассеяния S2 и S22 при фиксированных характеристиках ДОУ1, ДОУ2 активных и пассивных подрешеток [1…3], а влияние характеристик ДОУ1, ДОУ2 и величины взаимной связи между излучателями излучающей и приемной подрешеток рассматривается в меньшей степени.

Рисунок. Структура антенной системы.

Для частных видов амплитудно-фазовых распределений (АФР) на выходах ДОУ1 и ДОУ2 в статье приводятся результаты расчета величин развязок, которые можно получить, если в качестве единого приемопередающего полотна использовать широкополосную микрополосковую антенную решетку (ШМАР), рассмотренную в работе [4]. Будем считать, что оба ДОУ являются развязанными и согласованными со стороны выходов, а развязывающая подрешетка отсутствует (M = 0). Тогда выражение для коэффициента связи можно записать в виде [1]:

(1)

где Y12 — матрица размерности 1xN комплексных коэффициентов передачи с выходов ДОУ2 на ее вход; X21 — матрица размерности Lx1 комплексных коэффициентов передачи со входа ДОУ1 на ее выходы; C31 — теплицева матрица коэффициентов взаимной связи между излучателями активной и пассивной подрешеток.

Будем считать также, что подрешетки находятся в составе бесконечной плоской АР и все фидерные линии имеют одинаковые волновые сопротивления. При отсутствии потерь в ДОУ они могут быть описаны унитарными матрицами рассеяния с нулевыми членами на главной диагонали. Пусть ДОУ создают на своих выходах АФР, которые в общем случае могут быть описаны комплекснозначными функциями , i=1,2. Индексы i=1,2 соответствуют ДОУ1 и ДОУ2.

Для активной подрешетки при единичной амплитуде волны основного типа на входе, на выходах ДОУ1 будем иметь следующие амплитуды волн того же типа:

(2)

При этом амплитуды волн в излучателях пассивной подрешетки будут равны:

(3)

где Cpt — коэффициент взаимной связи между излучателями бесконечной АР, а амплитуда волны на входе ДОУ2

(4)

Тогда выражение (1) с учетом (2), (3), (4) можно записать в виде:

где член P1 связан со взаимодействием излучателей бесконечной АР, а член P2 определяется только амплитудным распределением на выходах ДОУ и не зависит от фазового распределения, типа излучателей и их местоположения в решетке.

Перепишем выражение для P1 с учетом связи коэффициентов Cst и коэффициента отражения , определяемого при равноамплитудном возбуждении бесконечной АР с линейным фазовым набегом:

(5)

где * — знак комплексного сопряжения,

(6)

, — дифференциальные фазовые сдвиги вдоль осей OX и OY. Функции f1 и f2 представляют собой множители подрешеток и для физически реализуемых АФР принимают по модулю только конечные значения.

На основании анализа выражения (5) можно сформулировать следующие принципы построения АР и ДОУ для широкополосного увеличения развязки, связанной со взаимодействием излучателей (при условии, что рабочие области подрешеток находятся в области видимых углов):

— в области видимых углов и в заданной полосе частот коэффициент отражения Г излучателя бесконечной решетки должен принимать по модулю наименьшие значения (в пределе − нулевые для всех ):

— ДОУ1 и ДОУ2 должны создавать на своих выходах такие АФР, при которых "основной луч" функций f1, f2 был бы максимально узким, а в области невидимых углов (где при отсутствии дифракционных максимумов высших порядков всегда |Г| = 1) "боковые лепестки" имели бы по модулю наименьшие значения (в пределе — нулевые для всех ):

  при  

Для реализации первого принципа в качестве АР не подходят традиционные варианты с использованием волноводных, вибраторных, резонансных микрополосковых и других частотно–зависимых излучателей, так как при этом не обеспечивается требуемое поведение Г в области в широкой полосе частот (октава и более) и широком секторе углов (до ±600).

Рассмотрим ШМАР, описанную в работе [4]. Она представляет собой решетку из узких ленточных излучателей длиной , расположенных вдоль оси OX на слое магнитодиэлектрика толщиной с проницаемостями . Здесь Tx, Ty — периоды АР вдоль осей ОХ и OY. Входное сопротивление такого излучателя в области действительных углов и ближайшей к ней области невидимых углов может быть записано в виде [4]:

где W=120π, а коэффициент отражения — в виде:

где , . Углы , определяют направление, в котором согласованы излучатели ШМАР.

Реализация второго принципа приводит к решению задачи синтеза физически реализуемого АФР при условии максимально возможного уровня КНД обеих подрешеток [5].

В качестве примера рассмотрим следующие амплитудные распределения на выходах ДОУ [6]:

Таблица 1
Распределение n КИП УБЛ, дБ
0 1.000 -13.3
2 0.660 -31.5
1.7 0.930 -20.8
2.4 0.808 -32.1
3.2 0.650 -47.5

При равноамплитудном распределении величина P2 принимает минимальное значение:

Таблица 2
n = 0 n = 2
-600 -39.16 -82.42
-450 -41.40 -89.94
-300 -42.47 -100.73
-150 -43.83 -95.99
00 -45.22 -98.60
150 -45.10 -78.01
300 -47.51 -71.42
450 -47.18 -54.30
600 -61.76 -38.69

В табл. 2 приведены рассчитанные на ЭВМ по формулам (5) и (6) уровни развязок между активной и пассивной подрешетками размером 5λx5&lambda каждая (периоды решеток Tx=Ty=0.14λ) для углов фазирования активной подрешетки =–600 в E-плоскости (φ=00) для ленточных излучателей на слое магнитодиэлектрика. Излучатели согласованы в направлении , . Как показали расчеты, характер амплитудного распределения в Н-плоскости (φ=900) практически не влияет на величину связи в Е-плоскости. Поэтому всюду для H-плоскости принято равноамплитудное распределение в обеих подрешетках.

Таблица 3
n = 0 n = 2
-600 -45.67 -116.81
-450 -47.68 -136.99
-300 -48.36 -129.87
-150 -49.46 -119.67
00 -48.80 -128.29
150 -48.76 -110.03
300 -47.35 -119.94
450 -46.29 -102.52
600 -46.24 -66.33
Таблица 4
n = 0 n = 2
-600 -58.32 -143.84
-450 -56.69 -151.57
-300 -54.50 -157.75
-150 -53.67 -161.07
00 -52.18 -153.89
150 -51.00 -143.92
300 -49.68 -145.81
450 -48.16 -133.62
600 -46.67 -117.86

В табл. 3 приведены результаты расчетов уровня развязки для подрешеток размером 10λx10λ, а в табл. 4 — для подрешеток размером 20λx20λ.

Поскольку для амплитудных распределений в общем случае необходимо численно вычислять суммы (6), что связано с большими затратами машинного времени, в статье была использована формула суммирования Эйлера-Маклорена [7]. При этом количество членов ряда N0 в выражении для интеграла вероятностей от комплексного аргумента [8], к которому приводит формула Эйлера-Маклорена, практически не зависит от количества излучателей в подрешетках и существенно меньше суммы, рассчитанной по формуле (6), особенно при большом числе излучателей.

Таблица 5
n = 1.7 n = 2 n = 3.2
-600 -57.53 -59.03 -68.96
-450 -55.85 -65.56 -78.82
-300 -57.59 -69.44 -92.46
-150 -54.31 -65.43 -84.38
00 -58.32 -72.47 -91.08
150 -56.18 -66.87 -83.58
300 -50.78 -55.36 -77.13
450 -38.67 -48.22 -52.62
600 -37.02 -56.48 -45.97
Таблица 6
n = 1.7 n = 2 n = 3.2
-600 -75.51 -82.33 -92.73
-450 -68.75 -80.16 -100.62
-300 -67.18 -80.62 -99.35
-150 -65.75 -77.87 -100.34
00 -66.20 -76.76 -93.09
150 -65.86 -77.60 -99.23
300 -67.47 -78.16 -94.68
450 -53.38 -58.03 -76.72
600 -40.86 -54.36 -68.34
Таблица 7
n = 1.7 n = 2 n = 3.2
-600 -94.83 -103.26 -131.86
-450 -73.47 -87.84 -110.29
-300 -62.29 -87.31 -109.99
-150 -72.96 -86.29 -108.66
00 -72.10 -86.34 -108.95
150 -73.64 -86.61 -109.05
300 -75.46 -87.73 -109.75
450 -77.72 -85.78 -96.26
600 -46.96 -59.29 -85.42

Уровни развязок при АФР вида для расположенных рядом активной и пассивной подрешеток различных размеров приведены в табл. 5…7 (для подрешеток размером 5λx5λ, 10λx10λ, 20λx20λ соответственно, для углов фазирования активной подрешетки =–600). При этом число членов ряда N0 во всех случаях не превышало 15, а среднее время расчета одного значения уровня развязки для 93x93 точек численного интегрирования по , составило примерно 15 мин на IBM РС-АТ-80286/287.

Из приведенных в статье результатов можно сделать следующие выводы:

— уровень развязки для ШМАР при амплитудных распределениях (КИП=0.66, УБЛ=–31.5 дБ) больше, чем для амплитудных распределений (КИП=0.808, УБЛ=–32.1 дБ). Это связано со снижением КНД во втором случае за счет более медленного уменьшения УШ при удалении от основного лепестка;

— уровень развязки в обоих случаях уменьшается при , что обусловлено взаимодействием между излучателями в невидимой части пространства дифференциальных фазовых сдвигов, возрастающем по мере приближения видимого луча диаграммы к границе видимой и невидимой областей;

— для амплитудных распределений вида при применении ШМАР уровень развязки не менее 100 дБ в секторе углов ±600 в Е-плоскости может быть получен только при и подрешеток размерами не менее 10λx10λ. При этом КИП каждой подрешетки не превышает 0.66.


Постранично

Использованная литература

1. Агафуров И.Н., Лаврушев В.И., Седельников Ю.Е. Использование пассивных излучателей в задачах повышения развязки антенн.− Казань: КАИ, 1985. - Деп. в ВИНИТИ, №3495-85.
2. Лаврушев В. И., Седельников Ю.Е. Построение антенн с учетом требований развязки // Радиоэлектроника, - 1980, т. ХXIII, №2, с.31…38 (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Кюркчан А. Г. Связь между антеннами в присутствии ребристых структур // Радиотехника и электроника. – 1977, т. ХХII, №7, с.1362…1373.
4. Чулков В. И. О широкополосности плоских антенных решеток микрополосковых излучателей // Вторая Всесоюзная научно-техническая конференция "Устройства и методы прикладной электродинамики" (9-13 сент. 1991 г., Одесса): Тезисы докладов. – М.: МАИ, 1991. – с.148.
5. Чаплин А. Ф. Анализ и синтез антенных решеток. – Львов: Вища школа, 1987. – 179 с.
6. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям / Пер. с англ.; Под ред. М. М. Вейсбейна. – М.: Сов. радио, 1976. – 392 с.
7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Пер. с англ.; Под ред. И. Г. Арамановича. – М.: Наука, 1968. – 720 с.
8. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абрамовича и И. Стиган /Пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Кармазиной. – М.: Наука, 1979. – 830 с.

Статьи за 2008 год

Все статьи

RefereesHelp Race 1.5.7

RefereesHelp Race™ является профессиональным решением по учету данных о проведении соревнований по бегу, плаванию или лыжным гонкам.


Подписка



Изменение параметров подписки


 




 
 
EDS-Soft

© 2002-2024 | EDS-Soft
Контакты | Правовая информация | Поиск | Карта сайта

© дизайн сайта | Андрей Азаров