Свойства и технические приложения антенных решеток, сфокусированных по широкополосному сигналу

Полный текст

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.

Об авторах

Денис Андреевич Веденькин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Казанский национальный исследовательски технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ

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

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры радиофотоники и микроволновых технологий

Россия, Казань, ул. Карла Маркса 10, 420111

Юрий Евгеньевич Седельников

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Казанский национальный исследовательски технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: sedhome2013@yandex.ru
SPIN-код: 4511-7480
Scopus Author ID: 107358

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий

Россия, Казань, ул. К. Маркса 10, 420111

Список литературы

Дополнительные файлы