Properties and technical applications of antenna arrays focused on a broadband signal

Full Text

Введение

В настоящее время развитие новых систем радиосвязи, микроволновых технологий и устройств технической диагностики связано с применением сфокусированного электромагнитного излучения (ЭМИ). Подавляющее большинство современных радиотехнических систем используют волновые поля дальней зоны, хотя для ряда технических приложений необходимо учитывать возможность функционирования радиотехнических средств в зоне ближнего излученного поля с использованием возможности реализации трехмерной фокусировки электромагнитного поля. Формирование пространственно-распределённых, объемных сфокусированных электромагнитных полей, а также управление их параметрами открывает новые возможности в задачах радиотехники, неразрушающего электромагнитного контроля и микроволновых технологий.

Впервые идея фокусировки электромагнитного поля была рассмотрена предложена в первой половине XX века в работах [1–2]. В дальнейшем свойства сфокусированных антенн анализируются рядом авторов [3–4] и др. Исследования в этом направлении ведутся параллельно с изучением свойств электромагнитных полей в дальней зоне, однако, в отличие от последних, апертурная теория антенн в зоне ближнего излученного поля в этот период не была создана в законченном виде.

Начиная с начала XXI века пробуждается интерес к антеннам, формирующим электромагнитные поля в зоне ближнего излученного поля. Проводится значительное число исследований, посвященных различным аспектам теории и практики сфокусированных антенн. Эти результаты становятся востребованными в таких развивающихся областях как неразрушающий контроль, микроволновые технологии, медицинские приложения, системы радиосвязи и радиоэлектронной борьбы. Исследования, выполненные в последние два десятилетия, фактически создали основу апертурной теории антенн в зоне ближнего излученного поля и представлены в обобщенном виде в монографии [5].

В это же время в радиолокации развивается новое направление, в основу которого положено использование сигналов с широким спектром при относительно высокой средней частоте. Его логическим развитием стало использование сверхширокополосных сигналов, перенесенных на несущую частоту оптического диапазона. В этих случаях относительная ширина спектра излучаемого сигнала $\Delta f/f_0$ значительно меньше единицы, и поэтому не специфических требований к антенным устройствам не возникает. Более того, в этих случаях основные показатели направленности, как правило, могут без существенной утраты точности рассматриваться для монохроматического сигнала.

Другим направлением в радиолокации и ряде смежных задач явилось использование излучения и приема сигналов с широким спектром в относительно низкочастотной части диапазона радиочастот, когда $f_{верхн}/f_{нижн}\gg 1.$ Данное направление получило название сверхширокополосной радиотехники и также активно развивается в настоящее время. Поэтому возникает естественный интерес к рассмотрению задач фокусировки широкополосного электромагнитного поля, обещающей новые возможности для диагностической локализации электромагнитных полей, повышении потенциала радиосвязи, микроволновых технологиях и неразрушающем радиоволновом контроле. Эти обстоятельства ставят в число актуальных детальные исследования свойств электромагнитных полей, сфокусированных по широкополосному сигналу, и выработку на их основе новых технических решений для ряда прикладных задач.

1. Свойства электромагнитных полей, сфокусированных по широкополосному сигналу

Основные свойства электромагнитных полей, сфокусированных по монохроматическому сигналу, к настоящему времени изучены достаточно подробно. Введены или уточнены характеристики и параметры сфокусированных полей (КНД, размеры сфокусированной области, уровни боковых лепестков) и установлена их зависимость от характера апертурного распределения и положения точки фокусировки [5]. Выявлены новые свойства электромагнитных полей и предложено их использование для повышения точностных показателей в диагностических задачах [6–7].

При переходе к использованию фокусировки по широкополосному сигналу, аналогично случаям полей дальней зоны, становится невозможным рассмотрение их в отрыве не только от спектра сигнала, но и от способа использования сфокусированного электромагнитного поля. Это обстоятельство порождает неоднозначность категорий диаграмма направленности и ее параметры в том числе определяемых в режиме приема или передачи (например, [5]). Эти особенности, безусловно, присущи и электромагнитным полям, сфокусированным в зоне ближнего излученного поля по широкополосному сигналу [8].

В режиме приема результат фильтрации излученного поля, «принимаемого» в точке $\left(x,y,z\right)$ c частотной характеристикой $K_{пр}\left(f\right),$ пространственное распределение сфокусированного поля рассматривается как:

${\left|E_{СШП}^{ПРМ}\left(x,y,z\right)\right|}^2=$ (1)

${\left|\underset{f_0-\Delta f}{\overset{f_0+\Delta f}{\int }}\dot{E}\left(x,y,z,f\right)G\left(f\right)K_{пр}\left(f\right)df\right|}^2$

и оказывается различным для разных способов приема, отличающихся выбором функции

$K_{пр}\left(f\right).$

В режиме передачи вид характеристики сфокусированного электромагнитного поля также существенно зависит от способа «использования» энергии указанного поля, т. е. от функции, выполняемой с использованием сфокусированного электромагнитного поля. В задачах типа СВЧ-нагрева характеристика определяется эффектом поглощения электромагнитной энергии в точке $\left(x,y,z\right)$ при излучении поля со спектром $G\left(f\right).$

${\left|E_{СШП}^{ПРДэн}\left(x,y,z\right)\right|}^2={\left|\underset{f_0-\Delta f}{\overset{f_0+\Delta f}{\int }}\dot{E}\left(x,y,z,f\right)G\left(f\right)df\right|}^2.$ (2)

В общем случае характеристикой в режиме передачи может рассматриваться результат «приема» электромагнитного поля устройством с действующей высотой приемной антенны $h_{прм}\left(f\right)$ и частотной характеристикой $K_{прм}\left(f\right)\text{:}$

${\left|E_{СШП}^{ПРД}\left(x,y,z\right)\right|}^2=$ (3)

$={\left|\underset{f_0-\Delta f}{\overset{f_0+\Delta f}{\int }}\dot{E}\left(x,y,z,f\right)h_{прм}\left(f\right)G\left(f\right)K_{прм}\left(f\right)df\right|}^2.$

Коэффициент направленного действия – интегральный показатель антенн, сфокусированных по широкополосному сигналу, вводится аналогично случаю фокусировки монохроматического излучения, как отношение значений характеристик $E_{СШП}\left(x_0,y_0,z_0\right)$ к соответствующему значению для излучения ненаправленного источника совпадающего спектрального состава, расположенного в точке апертуры, ближайшей к точке наблюдения. В точке фокуса $\left(x_0,y_0,z_0\right)$

$КН{Д}_{СШП}\left(x_0,y_0,z_0\right)=\frac{{\left|E_{СШП}\left(x_0,y_0,z_0\right)\right|}^2}{{\left|E_{СШП}^{ненапр}\left(x_0,y_0,z_0\right)\right|}^2}.$ (4)

В рамках этих представлений высвечивается факт несовпадения в общем случае характеристик сфокусированных полей в режимах приема и передачи. Этот факт не входит в противоречие с принципом взаимности, а отражает различие в способе использования энергии электромагнитного поля в сфокусированной области.

Проведены оценки основных параметров сфокусированного поля в допущении того что апертурное распределение $J\left(x,y,z\right)$ не зависит от частоты, а фазовое распределение обеспечивает фокусировку в заданную точку пространства для всех частот спектра $G\left(f\right).$ Установлено, что для случаев спектра, симметричного относительно центральной частоты $f_0,$ размеры области фокусировки в случаях широкополосного и узкополосного $\left(\Delta f/f_0\right)\ll 1$ сигналов практически совпадают (рис. 1). В случае асимметрии спектра происходит некоторое изменение размера соответственно преобладанию в спектре высокочастотных или низкочастотных составляющих. Уровень боковых лепестков, как ближних, так и дальних (при шаге решетки больше половины длины волны на центральной частоте) сохраняет общий характер в случае монохроматических колебаний при некоторой тенденции к снижению.

 

Рис. 1. Зависимость интенсивности сфокусированного поля линейной сфокусированной антенны: а – параллельно апертуре; б – перпендикулярно апертуре. Красная линия – монохроматический сигнал, синяя линия – равномерный спектр в полосе ±25 %

Fig. 1. Dependence of the intensity of the focused field of a linear focused antenna: a – parallel to the aperture; b – perpendicular to the aperture. The red line is a monochromatic signal, the blue line is a uniform spectrum within a band of ±25 %

 

2. Электромагнитные поля, формируемые антенными решетками, сфокусированными по широкополосному сигналу

При переходе к использованию антенных решеток в задачах фокусировки по широкополосному сигналу, аналогично случаям полей дальней зоны, становится невозможным рассмотрение их в отрыве не только от спектра сигнала и способа использования сфокусированного электромагнитного поля, но и от частотных свойств системы излучателей и диаграммообразующей схемы. Это обстоятельство связано с тем, что пространственно-частотное распределение электромагнитного поля $E\left(x,y,z,f\right)$ возбуждается совокупностью источников с апертурным распределением $J\left(x,y,z,f\right),$ частотная зависимость которого не может иметь произвольный характер, а существенным образом зависит от частотных характеристик элементов матриц рассеяния системы излучателей $\left[S_A\left(f\right)\right]$ и диаграммообразующей схемы $\left[S\left(f\right)\right].$

Для описания антенных решеток целесообразно использование матричной модели с поэлементным учетом эффектов взаимной связи излучателей. Согласно матричной модели, распределение напряженности электрического поля, создаваемого системой излучателей в зоне ближнего излученного поля определяется матрицей рассеяния системы входов $\left[S_A\left(f\right)\right],$ парциальными распределениями полей, соответствующих элементу решетки с диаграммой направленности $e_i\left(x,y,z,f\right)$ при возбуждении их входов единичной падающей волной и при наличии согласованных нагрузок, подключенных к остальным входам, и матрицей рассеяния распределительного устройства $\left[S\left(f\right)\right].$

$\left[S\left(f\right)\right]=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}^{б}\left(f\right)& S_{12}^{б}\left(f\right)\\ S_{21}^{б}\left(f\right)& S_{22}^{б}\left(f\right)\end{array}\right],$ (5)

где блочные матрицы  $S_{11}^{б}\left(f\right),$ $S_{21}^{б}\left(f\right)$  и $S_{22}^{б}\left(f\right)$ - входной коэффициент отражения распределительного устройства, коэффициенты передачи от входа к выходам и коэффициенты передачи между выходами соответственно, $S_{21}^{б}\left(f\right)=S_{12}^{бT}\left(f\right).$

Для частотных составляющих сфокусированного поля пространственное распределение источников представляется как:

$E\left(x,y,z,f\right)=\left.⟨e\left(x,y,z,f\right)\right|U_{пад}\left(f\right)⟩,$ (6)

где  $\left|U_{пад}\left(f\right)\right.⟩$ - вектор-столбец комплексных амплитуд падающих волн на входах излучателей, значения которого определяются свойствами излучателей и распределительного устройства:

$\left|U_{пад}\left(f\right)\right.⟩=\frac{S_{21}^{б}\left(f\right)}{E-\left[S_{22}^{б}\left(f\right)\right]\left[S_A\left(f\right)\right]}.$ (7)

Соотношения (6) и (7) позволяют с точностью, достаточной для большинства практических задач, определить напряженность электрического поля при возбуждении входа распределительного устройства падающей волной единичной амплитуды с частотой f  Подчеркнем, соотношения (6) и (7) высвечивают принципиальное свойство антенн в составе сверхширокополосных радиосредств: пространственные распределения полей, создаваемых в режиме передачи и соответствующие им показатели в режиме приема существенно зависят от частотных зависимостей матрицы рассеяния распределительного устройства и не могут быть определены в отрыве от свойств излучателей и фидерных устройств в составе антенной решетки.

При фокусировке по монохроматическому сигналу, как и в случае дальней зоны, синтез параметров антенной системы может разбиваться на два этапа, соответствующих «внешней» и «внутренней» задачам (рис. 2):

 

Рис. 2. Синтез параметров антенн для случая монохроматического сигнала. Этап 1. Синтез апертурного распределения (а), Этап 2. Расчет параметров антенны (б)

Fig. 2. Synthesis of antenna parameters for the case of a monochromatic signal. Stage 1. Synthesis of aperture distribution (a), Stage 2. Calculation of antenna parameters (b)

 

На первом этапе определяется апертурное распределение для задаваемой геометрии решетки. На втором этапе – параметры диаграммообразующей схемы при заданных параметрах излучателей и ее типе.

Для фокусировки по широкополосному сигналу такое разделение невозможно и необходимо использовать полную модель антенны, включающую решетку излучателей и диаграммообразующую схему (рис. 3).

 

Рис. 3. Конструктивный синтез параметров антенны для случая широкополосного немонохроматического сигнала

Fig. 3. Constructive synthesis of antenna parameters for the case of a broadband non-monochromatic signal

 

Фактически это означает безальтернативную необходимость использование в задачах анализа и проектирования принципов конструктивного синтеза антенн. При практической реализации могут использоваться приемы, предложенные в работе [9] для случая дальней зоны.

3. Технические приложения широкополосных сфокусированных антенных решеток

В заключение рассмотрим вопросы практического применения принципа широкополосных сфокусированных антенных систем в ряде технических приложений. Так свойства сфокусированных электромагнитных полей открывают возможность повышения технических показателей в ряде приложений:

- является организация связи с удаленным БПЛА;

- постановка прицельных по пространственным координатам помех наземным пунктам управления;

- формирование ложной авиационной цели с имитацией отраженного сигнала РЛС;

- диагностика антенн на этапах производства и испытаний;

- обработка загрязненной почвы электромагнитным полем;

- пеленгация с использованием суммарно-разностной обработки для поперечного и продольного направлений;

- организации распределенной сети доступа в парках, скверах и рекреационных зонах;

- задачи опознавания БПЛА и подавления средствами РЭБ.

Заключение

Применение широкополосных антенных решеток, сфокусированных в зоне ближнего излученного поля обладает рядом достоинств, определяемых их свойствами. Возможность локализации излучения в области пространства конечных размеров позволяет повысить потенциал радиосвязи, эффективность использования радиочастотного ресурса, улучшить технические характеристики систем диагностики и неразрушающего контроля.

About the authors

Denis A. Vedenkin

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technical University n.a. A.N. Tupolev - KAI

Email: denis_ved@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5318-5884
SPIN-code: 5258-2091
Scopus Author ID: 667258

Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Department of Radio photonics and Microwave Technologies

Russian Federation, Kazan, Karl Marx street 10, 420111

Yuri E. Sedelnikov

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technical University n.a. A.N. Tupolev - KAI

Author for correspondence.
Email: sedhome2013@yandex.ru
SPIN-code: 4511-7480
Scopus Author ID: 107358

Doctor of Technical Sciences, professor of the Department of Radio photonics and Microwave Technologies

Russian Federation, Kazan, Karl Marx Street 10, 420111

References

Supplementary files