|
| |
|
Слаботочка Книги пользованию антенных, решеток, но уже с электрическим сканированием, в которых суммирование сигналов от отдельных элементов дополнено фазовым или амплитудно-фазовьвм управлением. В этом новом классе антенн электрически сканирующих (рис. 1.1, поз. 4) в зависимости от способа управления стали различать частотное, фазовое и коммутационное сканирование [4]. До тех пор, пока в антенне используются линейные и взаимные устройства для создания необходимых амплитудно-фазовых распределений, не следует делать различие в характеристиках приемных или передающих антенн и можно рассматривать обработку сигнала в режиме, более удобном для анализа. Переход к классу активных антенн (рис. 1.1, поз. 5) нарушает, как правило, эту взаимность. Появление активных антенн вызвано стремлением увеличить излучаемые мощности, уменьшить тепловые потери, увеличить надежность ФАР, а в слабонаправленных антеннах уменьшить размеры, расширить полосу и т. д. Под активными антеннами понимают такие, в которые непосредственно включены генераторы, усилители, смесители (один или система в решетке) для указанных выше целей. Активные антенны могут быть приемными или передающими, а также приемопередающими как одиночные, так и решетки (АФАР) [9]. Адаптивным антеннам, цифровым решеткам и радиооптическим антенным решеткам (см. поз. 7, 9, 10 на рис. 1.1) посвящены соответствующие главы настоящей книги и здесь они рассмотрены не будут. Антеннами с нелинейной обработкой сигнала (рис. 1.1, поз. 8) называют приемные антенные решетки, на выходе которых сигнал является произведением или корреляционной функцией (перемножение и усреднение по времени) сигналов от отдельных элементов. Используя различные методы нелинейной обработки сигналов (умножение, деление, усреднение, возведение в степень и т. д.), можно построить антенны, свойства которых существенно отличаются от свойств обычных антенн. Рассмотрим простейший интерферометр - антенную решетку, состоящую из двух направленных излучателей с диаграммой направленности каждого F(Q). Пусть они разнесены на расстояние d и под углом 0 (0 отсчитывается от нормали к апертуре) на них падает плоская волна с частотой со. Сигнал в момент времени / на выходе излучателей i = F(9)cos((oO, ., = /(e)[cos(o(/-T)l, где т==с?sin 0/с, с - скорость света. Последовательно умножая и усредняя за время Т сигналы (корреляционная обработка), получаем на выходе результирующий сигнал и = ии = Р- (0) COS (со о COS [со {t + т)] = = hm \uudt = P{Q) COS (Ы sin 0), где к=т!с. Для сравнения отметим, что такая же антенна без обработки сигнала имеет диаграмму вида f (0)cos (d sin 0/2), т. e перемножение сигнала позволяет сузить диаграмму направленности интерферометра. На практике применяют и более сложные способы обработки, в частности сочетание перемножения со сложением (если в качестве излучателей, сигналы которых перемножаются, используются обычные решетки). Все эти способы позволяют значительно уменьшить число элементов, требуемых для получения заданной диаграммы. В частности, исторически первой антенной с перемножением сигналов является крест Миллса [3], предназначенный для достижения максимальной разрешающей способности при малом числе элементов. Он представляет собой две взаимно перпендикулярные линейные решетки равной длины, состоящие из элементов. Диаграммы этих обеих решеток f i (0, ф) и 2(0, ф). После перемножения сигнал на выходе креста пропорционален Fi{Q, ф)/=2(0, ф), что соответствует сигналу от плоской двумерной решетки с размером стороны, равным длине решетки в кресте. Корреляционная антенна, образованная обычной решеткой и двухэлементным интерферометром той же длины, имеет такую же диаграмму направленности, как и равномерная решетка учетверенной длины. При этом многочисленные лепестки интерферометра при перемножении уничтожаются диаграммой линейной решетки. Отметим, что операцию умножения, например, можно выполнить с помощью фазового детектора, а операцию усреднения - с помощью фильтра нижних частот или интегрирующего устройства. Антенны с логическим синтезом - еще одна разновидность антенн с нелинейной обработкой сигнала. В них диаграмма направленности формируется при сравнении амплитуд сигналов от отдельных антенн и использовании логических устройств типа ДА- НЕТ , ИЛИ , И , больше-меньше . Применение этих операций позволяет, например, с помощью вспомогательной антенны срезать боковые лепестки, запирая основной применый канал для всех сигналов ниже установленного уровня. Рассмотрим пример логического синтеза диаграммы направленности с заданной шириной главного максимума и низким уровнем боковых лепестков, которые не могут быть достигнуты обычными методами, за исключением использования эффектов сверхнаправленности. Процесс синтеза диаграммы в этом случае можно представить в виде следующей последовательности операций. На первом этапе формируется диаграмма fi(6), имеющая за- данный уровень боковых лепестков q при всех значениях 0> >Эо<>. Ширина главного максимума 20о при этом будет превышать требуемое значение 20о. Принятый антенной с такой диаграммой сигнал A >m запоминается. Затем формируется диаграмма /2(6) с требуемой шириной главного максимума 20о и требуемым уровнем боковых лепестков в секторе 0о<>0>0о и без каких-либо ограничений на уровень боковых лепестков в секторе 0>0о. Принятый сигнал Лт также запоминается. Логическая обработка полученных сигналов ведется с использованием операции сравнения Ащ - д(2) при Л?<Л>. В результате сигналу Ащ соответствует фиктивная диаграмма f (0), совпадающая с /2(0) на интервале 00о< и с fi(0) вне этого интервала. Описание операции поясняется рис. 1.2. Заметим, что полученная диаграмма f (0) соответствует сверхнаправленной антенне. Это приводит к тому, что такая антенна весьма чувствительна к слабым мешающим сигналам. Антенна с логическим синтезом позволяет получить фиктивные диаграммы направленности с самыми разнообразными свойствами. Отличительная черта таких антенн- нарушение принципа суперпозиции: сигнал от совокупности источников уже не является суммой откликов системы на сигналы каждого из этих источников. В связи с этим интерпретация результатов в сильной степени усложняется при увеличении числа источников. В настоящее время наиболее распространены принципы нелинейной обработки сигналов в системах 1 апертурного (рис. 1.1, поз. 9) синтеза. Обычно под апер-турным синтезом наряду с упомянутыми выше принципами формирования диаграмм в интерферометрах с неподвижными ан- теннами понимается также синтезирование сплошной апертуры с помощью не-большого числа подвижных антенн, которые как бы заполняют апертуру при сво- ем движении. Особенности технической реализации си-Рис. 1.2 стем обработки сигналов  в антеннах-интерферометрах с большими базами рассмотрены в радиоастрономии. В осуществлении различных систем апертурного синтеза принципиальную роль играет метод перемножения (по напряжению) диаграмм различных антенн, реализуемый в фазокоммутируемом и корреляционном приемниках. Заметим также, что принцип апертурного синтеза и радиоголография фактически одинаковы и сводятся к получению радиоголограмм перемножением сигналов с нескольких антенн и обработке этой голограммы с помощью фурье-анализа. Антенны с нелинейной обработкой сигнала имеют два серьезных недостатка: меньшее отношение сигнал-шум, чем у обычных решеток с такими же диаграммами, и нелинейные искажения при наличии нескольких источников. Отношение сигнал-шум обычно уменьшается во столько раз, во сколько число элементов решетки с обработкой меньше, чем в обычной решетке. Следует иметь в виду, что при нелинейных способах обработки, несмотря на сужение диаграммы, не достигается выигрыш в коэффициенте усиления; более того, он снижается из-за потерь при различных операциях обработки. Поэтому такие способы наиболее пригодны в радиоастрономии, где к тому же можно применять усреднение и накопление сигналов, поскольку изучаемые там цели перемещаются весьма медленно и излучают непрерывно. Динамическими антеннами или антеннами с временной модуляцией параметров (рис. поз. 6) называются такие, которые имеют периодически изменяющиеся во времени параметры. Изменяемыми параметрами могут быть: амплитудное или фазовое распределение поля (токов) в раскрыве антенны, размеры антенны, время включения отдельного элемента антенны и т. д. Рассмотрим линейную эквидистантную решетку с шагом d из синфазных излучателей, у которых возбуждающий ток в п-м излучателе In{t) периодически изменяется во времени t с периодом Т. Диаграмма направленности (множитель решетки) имеет вид / (/г-1) Ы sin Здесь 0 - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву; к = 2л/к. Ток в п-м излучателе / () можно представить в виде временного ряда Фурье /(0 = e/ v°°Л peя -772 где множитель ехр(/м) характеризует временную зависимость от основной частоты сигнала; 0 = 2я/7. Из этих выражений следует, что диаграмма направленности также является периодической функцией fp(e)= i pe/( -)w-ne Таким образом, мгновенная диаграмма направленности такой динамической антенны с периодически модулируемым возбуждением выражается рядом Фурье, каждый член которого Fp{Q) представляет диаграмму направленности решетки из N элементов с распределением тока Апр, совпадающим с соответствующей временной гармоникой тока элемента решетки. Для антенн рассматриваемого типа кроме мгновенной диаграммы направленности рассматривают средние во времени F = j-(FiQ, t)dt. о Поочередное подключение излучателей в решетке на время TIN (Т - период следования импульсов; N - число элементов) позволяет построить так называемые многолучевые динамические антенны: Вдоль такой антенны как бы периодически с периодом Т распространяется возбуждающий импульс длительностью x=TIN. У такой антенны формируется ряд парциальных диаграмм с направлением максимума s\nQp=pllNd, которые соответствуют частоте со-pQ и могут быть выделены с помощью узкополосных фильтров на входе приемника. Переключением элементов решетки в динамических антеннах могут быть решены задачи синтеза диаграмм направленности с малым уровнем боковых лепестков. В литературе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований уменьшения уровня боковых лепестков таким методом в антеннах с равномерным либо дольф-чебышевским амплитудным распределением. Синтезированная апертура или антенна с искусственным рас-крывом является наиболее перспективной антенной для повышения разрешающей способности бортовых РЛС, обзора земной по-Bej)XHOCTH, устанавливаемых на движущихся носителях (самолетах, спутниках). Этот метод широко распространен в радиоастрономии, где учитывается движение Земли. Характеристики таких антенн достаточно подробно изложены в периодической литературе и ряде монографий [12]. Сущность метода основана на априорной информации о траектории движения носителя и заключается в приеме сигналов при движении, запоминании и когерентном (синфазном) сложении аналогично тому, как это происходит в фазированных антенных решетках больших размеров. Радиоло- кационные станции с синтезированной апертурой позволяют получить высокую линейную разрешающую способность по угловым координатам, соответствующую обычной антенне с раскрывом в сотни и тысячи длин волн. Освоение все более коротких волн вплоть до оптического диапазона и необходимость увеличения объема извлекаемой информации из поля приходящей волны к антенне (получение внекоординатной информации, распознавание образцов и др.) привело к идеям использования голографических методов (включая цифровые) для формирования и управления характеристиками антенн, получивших название голографических (см. рис. 1.1, поз. 12). 1.3. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ АНТЕНН Развитие антенной техники способствовало увеличению общих характеристик антенн, определяющих их основные свойства и возможности практического использования в различных радиосистемах. Превращение антенны в радиосистему привело к необходимости дополнить такие общепринятые характеристики, как направленность действия, энергетические, частотные, поляризационные, новыми характеристиками: статистическими, динамическими, управления, эффективными поверхностями рассеивания (ЭПР) антенн и другими общетехническими, эксплуатационными и экономическими. Необходихмость учета при возбуждении антенн различного рода детерминированных и случайных ошибок от отдельных составляющих элементов привела к развитию статистической теории анализа и синтеза антенн. В соответствии с ней для антенн определяются некоторые средние характеристики, которые определяют по ансамблю однотипных антенн или во времени для одной и той же антенны. В соответствии со статистической радиотехникой по известным законам распределения, дисперсии, радиусу корреляции амплитудных и фазовых ошибок для антенны находят средние значения и их флуктуации для коэффициента направленного действия (КНД), уровня боковых лепестков (УБЛ), ширины луча (260,5), направления луча (9гл) и др. Естественно, что ожидаемые средние характеристики (КНД, УБЛ, 29о,5 и др.) оказываются хуже в сравнении с найденными теоретически для идеализированных антенн. Поэтому статистические методы анализа позволяют найти реализуемые характеристики антенн при заданных технологии, элементной базе или способе построения, управлении лучом, адаптации и т. д. Статистические методы синтеза позволяют определить предельно достижимые характеристики антенны при заданной технологии, элементной базе и т. д. Следует отметить, что применение статистики при анализе скалярных характеристик антенн, математическое описание их обычно усложняется незначительно, при использовании общепринятых математических моделей. Однако при статистическом ана- 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 |