|
| |
|
Слаботочка Книги ны и характеристики сигнала, становится неправомерным. Действительно, при широкополосном сигнале его параметры и параметры антенны оказываются взаимно зависимыми. Изменение частоты сигнала приводит к изменению положения и формы ДН; она меняется во времени, становится динамической. Изменяются и ее направленные свойства. Более того, для различных сигналов параметры диаграммы в одной и той же антенне будут различными. С другой стороны, изменение диаграммы в процессе приема вызывает отклонения частотно-временной структуры и формы сигнала, приходящего- на вход оптимального фильтра, от первоначальных. В результате происходит рассогласование сигнала и фильтра и нарушаются условия оптимального приема. Важно отметить, что изменение диаграммы и изменение сигнала в этом случае представляют собой две стороны одного и того же явления. Поэтому у широкополосных систем с ФАР пространственный прием и временную обработку сигналов необходимо рассматривать как единый процесс, в котором приемник и антенна участвуют как единая система. Это особенно важно учитывать при расчете характеристик антенной системы и отношения сигнал-шум на выходе приемника, определяющих дальность действия системы, ее разрешающую способность и точность определения координат цели. Рассмотрению этих вопросов и посвящена настоящая глава. Но прежде чем перейти к описанию взаимосвязи характеристик антенны и сигнала, напомним об основных процессах, возникающих в АР при изменении частоты. 4.2. ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ФАР ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЧАСТОТЫ Фазированные антенные решетки, обладающие углочастотной чувствительностью, иногда называют антеннами с частотной дисперсией. Однако в действительности такие решетки дисперсией, т. е. зависимостью фазовой скорости распространения электромагнитной волны в системе от частоты, не обладают. В них происходят явления, похожие на дисперсию только внешне. Чтобы понять это, рассмотрим прохождение сигнала через ФАР (рис. 4.1). На рисунке точками изображены излучатели решетки, а линиями со стрелками - направление прихода плоской электромагнитной волны. Для определенности угол падения этой волны относительно нормали к раскрыву 9 выбран равным 30°. Тогда при расстоянии между излучателями d=X/2 разность фаз ф колебаний, возбуждаемых волной в соседних излучателях, составляет 90°. В общем случае эта разность фаз определяется из треугольника NKM и является произведением расстояния NK, равного разности хода волны до соседних излучателей dsinO, на k - волновое число или фазовую постоянную, показывающую изменение фазы на единицу длины пути, пробегаемого электромагнитной волной: Рис. 4.1 <Разовы11 франт  Апертура ФАР ф = Ы8Ше. (4.1) Изменение фазы волны в пространстве на рис. 4.1 условно показано штриховой линией. Линии, перпендикулярные направлению прихода волн и соединяющие точки с равной фазой, являются фазовым фронтом волны. Для формирования ДН необходимо скомпенсировать разность фаз колебаний, принятых разными излучателями решетки. Это можно сделать двумя способами: компенсировать полную разность фаз между каждым и крайним (первым) излучателем либо, пользуясь периодичностью колебания, компенсировать только разность фаз между двумя соседними излучателями, обычно не превышающую 2л. Во втором случае необходимы существенно более короткие линии задержки, имеющие малые потери, поэтому на практике, как правило, используют фазовращатели, построенные на таких линиях (фазовращатели со сбросом фазы). Если используемые в антенне линии задержки точно компенсируют разность фаз между излучателями, то направление главного максимума Эгл ДН совпадает с направлением прихода электромагнитной волны 9: sin 9рл = fflkd = ф?1,/2л d. В настоящем параграфе для простоты принято Э=Эгл, хотя в общем случае углы 9 и 9гл могут не совпадать. Указанные два способа фазирования совершенно равноценны для формирования ДН решетки при монохроматическом сигнале, но дают различные результаты при широкополосном или многочастотном сигнале. Рассмотрим механизм работы решетки в обоих случаях. Разница в пути, пробегаемом фазовым фронтом в пространстве до первого (в данном случае крайнего правого) излучателя н до п-го излучателя, равна ; =( -l)dsin9, а разность фаз монохроматических колебаний, принятых этими излучателями на какой-либо волне Яг, равна ф п=/гп(п-l)dsin9, где Jn -фазовая постоянная пространства. При первом способе (рис. 4.2) эта разница в пути компенсируется линиями задержки, длина которых 1пл= (N- )u?sin9, где Л-число излучателей в решетке. Соответственно разность фаз колебаний между первой и п-и линиями Ц)п = к 1пл=Л {Ы- - )osin9, где - фазовая постоянная линии. Теперь рассмотрим суммарную разность фаз, которая образуется за счет пробега волны как в пространстве, так и в линии Значения фазы будем отсчитывать от плоскости фазового фронта, проходящего через крайний правый излучатель, до входа сумматора. Эта разность фаз Фпг = Фпп + Ф л = lk {n-l) + k,{N - п)] d sin 9. В том случае, когда фазовая постоянная линии k, равна фазовой постоянной пространства (в этом случае фазовую постоянную обозначим без индекса), общая разность фаз не зависит от номера излучателя: Фпг = Ф2 = (Л/-l)dsine. (4.2) Эта разность не зависит от длины волны, что обеспечивает посто- Рис. 4.2 Фазовый фронт на Волне Я>азовый /рронт на Волне Я,  янное положение луча в пространстве при ее изменении. Действительно, одно и то же число периодов колебаний на более длинной волне Лг, большей, чем Яь уложится на большем отрезке* пространства и точки с равной фазой сместятся вверх (см. рис. 4.2) на расстояния А/лгп, A/(iv-i)n и т. п. Эти смещения зависят от длины пробега волны до излучателя и будут наибольшими на левом краю решетки, убывая к правому. Казалось бы, что за счет получившегося поворота фазового фронта волны (по часовой стрелке вокруг точки 1 в положение, показанное на рисунке штриховой линией) должен отклониться вправо и луч антенны. Однако этого не произойдет, так как в линиях задержки, физическая длина которых осталась неизменной, на более длинной волне Яг будет укладываться меньшее число периодов колебания и точки с равной фазой, в свою очередь, сместятся вверх на расстояния А/1Л, А/гл и т. д. (см. рис. 4.2). Эти смещения, наоборот, будут наибольшими на правом краю решетки с убыванием к левому. В результате поворот фазового фронта в пространстве будет ском-ленсирован поворотом в обратную сторону фазового фронта в линиях задержки и при кп=кл распределение фаз на входе сумматора не изменится. Это хорошо видно на рис. 4.2, где к значению А1п каждого излучателя сверху добавлено значение А/л соответствующей линии задержки. Суммарные значения Д/п+А/л располагаются на прямой, параллельной исходному фазовому фронту на волне Яь Если k k , то полной компенсации не будет и возникнет нарастающий или убывающий набег фазы вдоль раскры-ва, который приведет к отклонению фазового фронта, а следовательно, и луча от первоначального направления. При втором способе (рис. 4.3) картина более сложная. Линии задержки здесь компенсируют только ту часть набега фазы в пространстве, которая отличается от целого числа периодов, т. е. от 2лт, где т = 0, 1, 2, 3,... В этом случае длина линий задержки 1пл = {N - n)dsmQ - ml, а разность фаз колебаний на их выходах Фпл = kn{N - n)d sin Э - 2л т. При кп=кл суммарная разность фаз между каналами антенны Ф 5, = А;(Л/-l)dsin9-2nm. (4.3) Эта разность не зависит от длины волны только на участке решетки до первого сброса фазы при т=0 (рис. 4.3). На остальных участках решетки при изменении длины волны смещения точек с равной фазой в линиях задержки Д/1л, Д/гл и т. п. будут меньше, чем в предыдущем случае, и не скомпенсируют соответствующих смещений точек с равной фазой в пространстве. Суммарные значения Д/п+Д/л, образующие фазовый фронт на волне Яг, расположатся на ступенчатой кривой, среднее значение которой (штрихпунктирная линия) проходит под некоторым углом к Среднее значение фазового фронта на волне Рис. 4.* Фазовый фронт на Волне K-f Фазовый фронт на волне f4(Xi>Ki)  фазовому фронту на волне Яь В результате луч отклонится от заданного направления. Аналитическое выражение, позволяющее через соответствующие производные оценить отклонение максимума диаграммы направленности от первоначального положения при изменении длины волны, получено в [2]: 0,5 2я л где Эо,5 - ширина ДН по уровню половинной мощности. Подставляя в это выражение значения ф из (4.2) и (4.3), видим, что в первом случае эта производная равна нулю, а во втором- имеет конечное значение. Ступенчатость фазового фронта, меняющаяся при изменении угла 0, приведет к снижению коэффициента усиления антенны и изменению количества и уровня боковых лепестков. При различных фазовых постоянных пространства и линии задержки кл картина еще более усложнится. Таким образом, при изменении частоты (длины волиы) сигнала меняется как направление максимума диаграммы, так и ее форма. При возбуждении ФАР широкополосным сигналом необходимо учитывать эти изменения. Рассмотрим методы исследования ФАР при таксм возбуждении. 72 4.3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ФАР ШИРОКОПОЛОСНЫМ СИГНАЛОМ Принятый антенной РЛС широкополосный сигнал обычно усиливается в линейном тракте и подается для обработки в согласованный с ним оптимальный фильтр. Источником информации о цели и ее параметрах при этом является не выходной сигнал антенны, а выходной сигнал оптимального фильтра. Очевидно, что интерес представляет ДН антенной решетки именно для этого сигнала. Измерить ее можно, снимая зависимость амплитуды огибающей на выходе оптимального фильтра от угловых координат источника сигнала. Однако форма такой ДН изменяется во времени. На практике важно знать эту форму в тот момент, когда на выходе оцтимального фильтра появится максимум сигнала, отраженного от цели. Именно эта диаграмма и определит возможности широкополосной системы по пространственной селекции целей. Нахождение указанной ДН классическим способом встречает определенные трудности. С помощью формулы Кирхгофа можно, в принципе получить поле излучения плоской апертуры в некотором объеме для произвольного сигнала, заданного в виде конечной суммы гармоник, а затем с помощью известного принципа эквивалентности перейти к полю излучения АР с такой же апертурой, через которую проходит этот сигнал. Однако введение в полученные выражения эффектов, связанных со сбросом фазы в системе управления лучом, встречает значительные трудности. Все это, по-видимому, является причиной, из-за которой подобная задача, насколько известно (за исключением попытки изложенной в [6]), в литературе не решалась. Важным инструментом для исследования характеристик широкополосной ФАР является многомерная корреляционная функция сигнала (МКФ), которая может быть получена как обобщение распространенной в радиолокации трехмерной функции неопределенности. Известно, что параметры выходного сигнала радиолокационного приемника зависят от изменения четырех величин: времени запаздывания сигнала Ат, доплеровского сдвига частоты <вд н угловых координат цели 6 и ф. В классической радиолокации характеристики антенны считаются независимыми от частотно-временных характеристик сигнала и функция отклика РЛС может быть представлена произведением двух независимых функций: 5с(Дт, (Од, е, ф)=х(Ат, (Од)-х(е, ф), где 1 (в, ф) по существу является ДН антенны. При прохождении широкополосного сигнала через ФАР эта независимость нарушается и корреляционная функция сигнала, зависящая теперь как от времени запаздывания сигнала и доплеровского сдвига частоты, так и от угловых координат цели 0, ф 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [12] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |