|
| |
|
Слаботочка Книги лизе поляризационных характеристик (векторных) задача резко усложняется ввиду использования аппарата многомерного статистического анализа. Так, для математического описания поляризационной характеристики антенны с частично поляризованным полем излучения приходится отказаться от таких параметров, как эллиптичность поляризации , и перейти к параметрическому представлению, использовав так называемые матрицы когерентности или параметры Стонса. Переход от взаимных линейных антенн, являющихся пространственным фильтром, к ФАР, АФАР, адаптивным и другим антенным системам с пространственно-временной управляемой обработкой сигнала можно рассматривать как возникновение нового класса устройств или систем: антенн - усилителей, антенн - передатчиков (приемопередатчиков), антенн - активных фильтров и т. д. Для математического описания таких систем (устройств), очевидно, необходимо воспользоваться не только известными характеристиками из теории антенн, но также характеристиками из теории приемных, передающих устройств, технической кибернетики и радиотехнических систем. При этом оказывается возможным в одних случаях воспользоваться характеристиками из смежных областей антенной техники, в других - новыми параметрами, объединенными с антенными характеристиками. Характерным примером в первом случае является динамический диапазон, под которым понимается диапазон уровней сигнала, в пределах которого устройство (приемник, активная антенна АФАР и т. д.) должно сохранять заданные характеристики. Такими же общими характеристиками могут быть мгновенная полоса, диапазон перестройки частот, точность и стабильность несущей частоты, отношение сигнал-шум при передаче и т. д. Применение общепринятого понятия коэффициент усиления антенн в АФАР лишено смысла, так как в ней используются активные элементы. В передающей АФАР целесообразно ввести новые энергетические характеристики - потенциал передающей АФАР, равный произведению КНД на мощность излучения, а для приемной - удельную спектральную мощность шума, равную спектральной плотности мощности шума линейной части выходного устройства и приемной АФАР, приведенную к выходу АФАР и отнесенную к эффективной поверхности приемной антенны. Таким образом, антенные системы стали обладать рядом характеристик радиоприемных, радиопередающих и управляющих устройств, с которыми они стали как единое целое. Характеристики управления относят к таким антеннам, как ФАР, АФАР, адаптивные и др. Они определяются требованиями к секторам обзора (сканирования, адаптации), допустимым изменениям характеристик направленности в секторах, периоду обзора, времени установки луча в заданную точку, точности установки луча, времени готовности, уровню подавления помехи, мощности управления и т. д. Стремление создать невидимые для РЛС летательные аппараты (американская программа Стеле ) с ма- лыми эффективными поверхностями рассеивания (ЭПР) привело к необходимости введения новой характеристики антенн - ЭПР антенн. Говоря об общих характеристиках современных антенн, необходимо отметить, что к ним, как к любой радиотехнической системе или устройству, предъявляются общетехнические, эксплуатационные и экономические требования, такие как минимальные масса, габариты, стоимость, высокая надежность, долговечность, ремонтоспособность, эффективность метрологического обеспечения. В антеннах с обработкой сигнала наряду с введением новых характеристик возникает необходимость дальнейшего развития существующих. Так, в решетках с быстрым электрическим сканированием (динамические антенны) и в антеннах с синтезируемой апертурой понятие диаграммы направленности антенны в обычном определении теряет смысл. Поэтому в теории таких антенн вводится понятие мгновенной диаграммы направленности, эффективной диаграммы направленности для заданного интервала наблюдения и способа обработки сигнала. Минимизация УБЛ антенн, как известно, является важнейшей проблемой обеспечения электромагнитной совместимости, помехозащищенности, скрытности, работоспособности навигационных РЛС на малых высотах полета и т. д. Решение этой проблемы на практике встречает трудности, что приводит к введению дифференцированной оценки: в характеристиках антенн оговариваются допустимый УБЛ в определенном секторе углов или первых боковых лепестков, ближайших главному лучу, или уровень дальних боковых лепестков и т. д., кроме ранее введенных величин, таких как средний уровень боковых лепестков, коэффициент рассеивания и т. д. [3]. Обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем и средств - одна из важных современных проблем, которая требует рассмотрения, а в ряде случаев наложения определенных ограничений на основные характеристики антенн за пределами рабочих частот, уровней сигналов, секторов обзора и т. д. Возникает необходимость анализа нелинейных эффектов, происходящих в активных антеннах и в адаптивных системах. В широком диапазоне частот (за пределами рабочих) коэффициенты усиления, диаграммы направленности, поляризационные характеристики совмещаемых антенн, ослабление тракта (фидера) определяют воздействие непреднамеренных помех на приемные устройства совмещаемых систем. Аналогичные характеристики представляют интерес при анализе радиоэлектронного противодействия. 1.4. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ АНТЕНН Обширный круг задач, выдвигаемый наукой и техникой перед разработчиками радиосистем, приводит к необходимости создания антенн различного назначения с разнообразными заданными ха- рактеристиками. Так, для просмотра окружающего пространства следует создавать остронаправленные антенны с управляемым лучом или многолучевые. В зависимости от требуемой скорости обзора пространства и размеров антенны возникает необходимость механического или электрического сканирования или одновременного обзора пространства с помощью многоканальных систем. Для обеспечения надежной связи с летательными аппаратами при их эволюции требуются бортовые невыступающие антенны с диаграммами, близкими к направленным при заданных поляризационных характеристиках. Для требуемой помехозащищенности различных радиосистем возникает необходимость создания антенн, имеющих возможно больший коэффициент усиления и низкий УБЛ. В зависимости от вида помех, их интенсивности, пространственного положения и изменения во времени предъявляются требования к допустимому УБЛ диаграммы направленности антенны, их расположению относительно главного максимума, глубины провалов ( нулей ), управлению лепестками при сканировании и т. д. Этот перечень различных требований к характеристикам может быть продолжен не только к направленным свойствам антенн, но и к их энергетике, диапазонности, характеристикам управления, массо-габаритным и конструктивным параметрам и т. д. Реализация требуемых характеристик может быть достигнута выбором типа антенны, ее параметров, элементной базы, габаритов и т. д. Улучшить характеристики радиосистем (улучшить помехозащищенность, увеличить точность определения угловых координат в РЛС, повысить разрешающую способность и т. д.) можно, как известно, увеличением размера используемой антенны, что не всегда реализуемо и определяется, например, условиями размещения, конструкторскими возможностями, стоимостью. Оказывается, можно улучшить некоторые требуемые параметры системы без увеличения размеров антенны, применяя, например, антенны с обработкой сигнала: антенны с иокуоственным раскрывом, нелинейной обработкой сигнала, динамические и др. Следует, однако, заметить, что одни параметры таких антенн улучшаются за счет ухудшения других. Существующая элементная база и технология производства в значительной мере определяют реализуемые характеристики и стоимость антенных систем. Поиск оптимального варианта типа антенны, ее параметров, конструкции, , -технологии, элементной базы, метрологического обеспечения и т. д., наилучшим образом удовлетворяющих поставленным требованиям, составляет основу проектирования перспективных антенных систем. Однако в настоящее время теория и техника антенных систем с обработкой сигнала находятся в стадии развития, еще далеки от завершения и не могут дать четких ответов на многие общие вопросы антенных систем. Таким образом, в теории антенной техники возникает ряд проблем, связанных с необходимостью как дальнейшей разработки общей теории антенн, методов расчета, изыскания новых путем построения, решением ряда принципиальных вопросов, так и с решением не менее важных конструктороко-технологических задач. Попытаемся кратко сформулировать основные проблемы антенной техники. Синтез антенных систем. Построение антенн по заданным требованиям, т. е. синтез антенн, является основной задачей любой разработки. Эту проблему можно условно разделить на две части - теоретическую (математическую) и практическую (конст-рукторско-технологическую). Математическая теория синтеза антенных систем обычно рассматривает независимо две отдельные задачи: решение внешней задачи - определение токов (полей) по заданным характеристикам направленности; решение внутренней задачи - определение элементов конструкции антенны, устройства возбуждения, распределительных систем и т. д. Эти две задачи в большинстве случаев рассматриваются независимо. В настоящее время наиболее полно решена первая задача. Актуальной же проблемой является построение единой теории конструктивного (инженерного) синтеза, с помощью которого по заданны требованиям на электрические характеристики находят конструкторские решения. Синтез антенн в этой постановке включает решение традиционных электродинамических задач, задач структурного синтеза антенных систем, в которые превратились современные антенны, а также решение ряда конструкторских, технологических и экономических задач. В такой постановке проблема приобретает общий характер, так как она связана с преодолением значительных трудностей синтеза радиосистем (решение многокритериальных задач, определение показателя качества антенны, для которого находится глобальный экстремум, алгоритмизация конструкторско-техно-логического процесса проектирования и т. д.). Сложность решения состоит также в разнообразии исходных характеристик синтеза. На практике возникают самые разнообразные требования к точностным характеристикам, помехозащищенности, направленности, диапазонным свойствам, поляризации поля излучения, энергетике разрабатываемых антенн. Заданным требованиям могут удовлетворять различные классы антенн, что усложняет поиск их оптимального варианта. Найденные решения задачи синтеза должны обладать устойчивостью к допускам в изготовлении и различным дестабилизирующим факторам. Следует особо отметить недостаточность развития в настоящее время структурного синтеза внутренних электродинамических задач. Конструкторско-технологические проблемы антенностроения. Практическое построение антенных систем - вторая часть общей проблемы - включает обширный круг вопросов конструирования, технологии изготовления, метрологического обеспечения с учетом раз.мещения, эксплуатации создаваемой антенной системы. При этом должны быть учтены ограничения, накладываемые располагаемой элементной базой, технологией, допустимой стоимостью и т. д. Стремление разработчика к поиску наилучшего ре- шения приводит к матаматичеокой задаче оптимизации конструкторского решения. Однако определение предельно реализуемых характеристик затруднено недостатками развития, алгоритмизации теории синтеза конструктороко-технологических задач используемой техники. Попытки отказаться от традиционных решений в антенной технике приводят к развитию теории, экспериментальным исследованиям и опытночконструкторским работам. Автоматизация проектирования, производства и измерений антенных систем. Широкое применение современных ЭВМ при проектировании антенн позволяет существенно сократить сроки создания новой аппаратуры, расширить круг решаемых задач, приблизить используемые расчетные модели к реальным объектам и уменьшить трудовые затраты. Развитые в последние годы численные методы решения электродинамических задач позволяют в ряде случаев существенно повысить точность расчета антенн и тем самым устранить экспериментальные исследования и доработку аппаратуры, увеличивавшие сроки ее создания на длительный период. Общеизвестна необходимость автоматизации производства, однако уменьшение ручного труда в антенной технике связано в значительной степени с изысканием типов и схем построения антенн, соответствующих прогрессивной технологии. Примером такого решения могут служить плоские печатные решетки излучателей, заменяющие зеркальные антенны, которые требуют трудоемких ручных работ [120]. Широкое применение ФАР и особенно АФАР немыслимо без автоматизации измерений основных характеристик в процессе производства, настройки и эксплуатации как отдельных элементов решеток - модулей, так и всей системы в целом. Антенны с обработкой сигнала. Дальнейшее улучшение характеристик радиосистем с современными антенными системами (разрешающей способности, быстродействия, пропускной способности, помехозащищенности, дальности действия и др.) возможно при совершенствовании методов обработки (пространственно-временной в общем случае) сигнала, излучаемого и принимаемого антенной. При этом антенна является первичным звеном обработки и iB значительной мере определяет ее основные свойства в целом. В настоящее время антенная техника достигла достаточно высокого уровня развития и дальнейший прогресс идет не по пути создания принципиально новых типов антенн, а главным образом по пути улучшения их характеристик. Обычно используется далеко не вся необходимая информация, содержащаяся в волне, падающей на остронаправленную антенну, в которой поля от отдельных излучателей (или участков) суммируются в одном фидерном тракте. Последующая обработка такого суммарного сигнала может оказаться недостаточной для измерения параметров приходящей волны. Наиболее полную информацию можно получить, обрабатывая в антенной решетке раздельно каждый принятый сигнал, т. е. обрабатывая ряд выборок из пространственного распределения приходящей волны. Практическая реализация антенн с обработкой сигнала определяется располагаемой элементной базой. Достижения в твердотельной электронике, микропроцессорной и вычислительной технике, когерентной оптике, голографии и других областях существенно расширяют возможности построения антенн с обработкой сигнала [13, 22]. Проблему антенн с обработкой сигнала можно кратко сформулировать как изыскание путей оптимального построения пространственно-временной обработки сигнала в антенне при заданных требованиях к системе и располагаемой элементной базе. Антеннам с пространственной обработкой сигнала уделено значительное внимание в последующих главах книги. Метрологическое обеспечение антенных систем. Метрологическое обеспечение разработок, производства и эксплуатации антенных систем требует значительных затрат (по зарубежным данным, до 30% общей стоимости) и включает разработку прямых и косвенных методов измерения характеристик антенн различных классов, создание поколения измерительной аппаратуры соответствующих диапазонов волн, функциональных воЗМожностей, повышенной производительности и точности измерений. Возникает необходимость создания минимума эталонов антенн, образцовых мер, аттестации естественных источников излучения (включая внеземные) для контроля характеристик. Развитие методов измерения характеристик антенн по полю в раскрыве, в промежуточной и дальней зоне вызывает необходимость разработки безэховых камер, коллиматоров, специализированных измерительных комплексов и антенных полигонов [16, 17, 22]. Развитие конструкторско-технологической базы антеннострое-ния. Для построения высокоэффективных антенных систем необходима определенная конструкторско-технологическая база, в которой помимо общепринятой базы в радиоэлектронике, приборостроении и других отраслях промышленности используются чисто антенные материалы и элементы. Такими материалами являются высокодобротные диэлектрики с различным значением диэлектрической проницаемости, электрически управляемые среды (ферриты, полупроводники, сегнетоэлектрики) и поглощающие материалы. К элементной базе современных антенн могут быть отнесены фазовращатели, вентили, циркуляторы, мостовые и гибридные устройства, разъемные линии передач, модули ФАР и АФАР [27]. К элементной базе можно условно отнести обтекатели и укрытия антенн различных назначений и диапазона волн, включая инфракрасный и оптические диапазоны. Существенные различия в конструктивном исполнении используемых материалов, размеров современных антенн приводит к широкому кругу задач технологии антенностроения - от строительства металлоконструкций крупногабаритных антенн с раскрывом в сотни метров до изготовления интегральных схем СВЧ и оптических процессоров. Кон-структорско-технологические проблемы современного антенностроения приобретают принципиальное значение. Одной из важ- 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 |