Способи зменшення рівня бічних пелюсток у системах випромінювачів. Фазова діаграма спрямованості

Відносний (нормований до максимуму ДН) рівень випромінювання антени у напрямі бічних пелюсток. Як правило, УБЛ виражається в децибелах, рідше визначають УБЛ «за потужністю»або "по полю".

Приклад діаграми спрямованості антени та параметри ДН: ширина, КНД, УБЛ, відносний рівень заднього випромінювання

ДН реальної (кінцевих розмірів) антени - осцилююча функція, в якій виділяють глобальний максимум, що є центром головної пелюсткиДН, а також інші локальні максимуми ДН та відповідні їм так звані бокові пелюсткиДН. Термін бічнийслід розуміти як побічний, а не буквально (пелюстка, спрямована «вбік»). Пелюстки ДН нумерують по порядку починаючи з головного, якому надають номер нуль. Дифракційна (інтерференційна) пелюстка ДН, що виникає в розрідженій антеній решітці, бічним не вважається. Мінімуми ДН, що розділяють пелюстки ДН, називають нулями(Рівень випромінювання в напрямах нулів ДН може бути як завгодно малим, проте в реальності випромінювання завжди присутній). Область бічного випромінювання розбивають на підобласті: область ближніх бічних пелюсток(прилеглу до головної пелюстки ДН), проміжну областьі область задніх бічних пелюсток(Вся задня півсфера).

• Під УБЛ розуміють відносний рівень найбільшої бічної пелюстки ДН. Як правило, найбільшим за величиною є перша (прилегла до головного) бічна пелюстка.

Для антен з високою спрямованістю використовують також середній рівеньбічного випромінювання(нормована до свого максимуму ДН усереднюється в секторі кутів бокового випромінювання) та рівень далеких бічних пелюсток(відносний рівень найбільшої бічної пелюстки в області задніх бічних пелюсток).

Для антен поздовжнього випромінювання для оцінки рівня випромінювання у напрямку «назад» (у напрямку, протилежному напрямку головної пелюстки ДН) використовується параметр відносний рівень заднього випромінювання(Від англ. front/back, F/B- Відношення вперед/назад), і при оцінці УБЛ це випромінювання не враховується. Також для оцінки рівня випромінювання у напрямку «вбік» (у напрямку, перпендикулярному головному пелюстку ДН) використовується параметр відносний бічного випромінювання(Від англ. front/side, F/S- Відношення вперед / вбік).

УБЛ, як і ширина головної пелюстки ДН, є параметрами, що визначають роздільну здатність і перешкода захищеність радіотехнічних систем. Тому в технічних завданнях на розробку антен цим параметрам приділяється велике значення. Ширину променя та УБЛ контролюють як при введенні антени в експлуатацію, так і в процесі експлуатації.

Цілі зниження УБЛ

• У режимі прийому антена з низьким УБЛ «завадостійка», оскільки краще здійснює селекцію по простору корисного сигналу на тлі шуму і перешкод, джерела яких розташовані в напрямках бічних пелюсток
• Антена з низьким УБЛ забезпечує системі більшу електромагнітну сумісність з іншими радіоелектронними засобами та високочастотними пристроями
• Антена з низьким УБЛ забезпечує системі більшу скритність.
• В антені системи автосупроводу цілі можливий помилковий супровід з бокових пелюсток
• Зниження УБЛ (при фіксованій ширині головного пелюстки ДН) веде до зростання рівня випромінювання у напрямку головного пелюстки ДН (до зростання КНД): випромінювання антени у напрямку, відмінному від головного - порожня втрата енергії. Однак, як правило, при фіксованих габаритах антени зниження УБЛ веде до зниження КВП, розширення головної пелюстки ДН та зниження КНД.

Розплатою за нижчий УБЛ є розширення головної пелюстки ДН (при фіксованих розмірах антени), а також, як правило, складніша конструкція розподільчої системи та менший ККД (у ФАР).

Способи зниження УБЛ

Оскільки ДН антени в дальній зоні та амплітудно-фазовий розподіл (АФР) струмів по антені пов'язані між собою перетворенням Фур'є, то УБЛ як вторинний параметр ДН визначається законом АФР. Основним способомЗниження УБЛ при проектуванні антени є вибір більш плавного (що спадає до країв антени) просторового розподілу амплітуди струму. Міра цієї «плавності» - коефіцієнт використання поверхні (КВП) антени.

Для придушення запиту від бічних пелюсток використовується відмінність енергетичних рівнів випромінювання головного та бічних пелюсток.

1.2.1. Пригнічення запиту від бічних пелюсток діаграми спрямованості диспетчерських ВРЛ здійснюється використанням так званої триімпульсної системи (див. рис.2).

Мал. 2 Придушення запиту від бічних пелюсток ДРЛ за триімпульсною системою.

До двох імпульсів запитного коду Р1 і РЗ, що випромінюється спрямованою антеною радіолокатора, додається третій імпульс Р2 (імпульс придушення), що випромінюється окремою всеспрямованою антеною (антеною придушення). Імпульс придушення часу відстає на 2 мкс від першого імпульсу запитного коду. Енергетичний рівень випромінювання антени придушення підбирається таким чином, щоб у місцях прийому рівень сигналу придушення був свідомо більше рівня сигналів, випромінюваних бічними пелюстками і менше рівня сигналів, випромінюваних головним пелюстком.

У відповідачі проводиться порівняння амплітуд імпульсів коду Р1, РЗ та імпульсу придушення Р2. При прийомі запитного коду у напрямку бокового пелюстки, коли рівень сигналу придушення дорівнює або перевищує рівень сигналів запитного коду, відповідь не виконується. Відповідь проводиться тільки тоді, коли рівень Р1, РЗ більший за рівень Р2 на 9 дБ і більше.

1.2.2. Пригнічення запиту від бічних пелюсток діаграми спрямованості посадкових радіолокаторів проводиться в блоці БПС, в якому реалізовано спосіб придушення з порогом, що плаває (див. рис.3).

Рис.3 Отримання пакету сигналів у відповідь
при застосуванні системи придушення з плаваючим порогом

Цей спосіб полягає в тому, що в БПС за допомогою інерційної системи стеження запам'ятовується у вигляді напруги рівень сигналів, прийнятих від основного пелюстки діаграми спрямованості. Частина цієї напруги, що відповідає заданому рівню, що перевищує рівень сигналів бічних пелюстків, встановлюється як поріг на виході підсилювача і наступне опромінення відповідь проводиться тільки при перевищенні запитними сигналами значення цього порога. Ця напруга коригується у наступні опромінення.

1.3. Структура сигналу у відповідь

У відповідь сигнал, що містить якесь слово інформації, складається з координатного коду, коду ключа та інформаційного коду (див. рис.4а *).

Рис.4 Структура коду у відповідь

Координатний код двоімпульсний, його структура різна кожного слова інформації (див. рис. 4б,в*).

Код ключа триімпульсний, його структура різна кожному за слова інформації (див. рис. 4б,в*).

Код інформації містить 40 імпульсів, що становлять 20 розрядів двійкового коду. Кожен розряд (див. рис. 4а, г) містить два імпульси, що віддаляються один від одного на 160 мкс. Інтервал між імпульсами одного розряду заповнений імпульсами інших розрядів. Кожен розряд містить у собі двійкову інформацію: символ “1” чи символ “0”. У відповідачі СО-69 для передачі двох символів використовується метод активної паузи, символ "0" передається імпульсом, що запізнюється на 4 мкс щодо того моменту часу, в який передавався імпульс, що позначає символ "1". Дві можливі позиції імпульсу кожного розряду (“1” чи “0”) показані хрестиками. Інтервал часу між двома символами "1" (або "0"), наступними один за одним, прийнятий 8 мкс. Отже, інтервал між наступними один за одним символами "1" і "0" складе 12 мкс, а якщо за символом "0" слідує символ "1", то інтервал між імпульсами буде 4 мкс.

Перший розряд передає один імпульс, який означає одиницю, якщо він затриманий на 4 мкс, і нуль, якщо він затриманий на 8 мкс. Другий розряд також передає один імпульс, який означає 2, якщо він затриманий на 4 мкс щодо попереднього розряду, нуль якщо він затриманий на 8 мкс. Третій розряд передає 4 і 0, також залежно від їхнього положення, 4-й розряд передає 8 і 0.

Так, наприклад, цифра 6 передається як число 0110 у двійковому записі, тобто як сума 0+2+4+0 (див. рис.1)

Інформація, передана за 160 мкс, в наступні 160 мкс передається вдруге, що значно підвищує стійкість до перешкод інформації.

Ширина головної пелюстки та рівень бічних пелюсток

Ширина ДН (головного пелюстки) визначає ступінь концентрації випромінюваної електромагнітної енергії. Ширина ДН- це кут між двома напрямками в межах головної пелюстки, в яких амплітуда напруженості електромагнітного поля становить рівень 0,707 від максимального значення (або рівень 0,5 від максимального значення щільності потужності). Ширина ДН позначається так:

2і – це ширина ДН за потужністю на рівні 0,5;

2і - ширина ДН за напруженістю на рівні 0,707.

Індекс Е або Н позначають ширину ДН у відповідній площині: 2і, 2і. Рівню 0,5 за потужністю відповідає рівень 0,707 за напруженістю поля або рівень - 3 дБ у логарифмічному масштабі:

Експериментально ширину ДН зручно визначати за графіком, наприклад, як показано на малюнку 11.

Малюнок 11

Рівень бічних пелюсток ДН визначає ступінь побічного випромінювання антеною електромагнітного поля. Він впливає якість електромагнітної сумісності з найближчими радіоелектронними системами.

Відносний рівень бічної пелюстки - це відношення амплітуди напруженості поля у напрямку максимуму першої бічної пелюстки до амплітуди напруженості поля у напрямку максимуму головної пелюстки (рисунок 12):

Малюнок 12

Виражається цей рівень в абсолютних одиницях, або децибелах:

Коефіцієнт спрямованої дії та коефіцієнт посилення передавальної антени

Коефіцієнт спрямованої дії (КНД) кількісно характеризує спрямовані властивості реальної антени порівняно з еталонною ненаправленою (ізотропною) із ДН у вигляді сфери:

КНД - це число, що показує, у скільки разів щільність потоку потужності П (і, ц) реальної (спрямованої) антени більша за щільність потоку потужності П(і, ц) еталонної (неспрямованої) антени для цього ж напрямку і на тому ж видаленні за умови , Що потужності випромінювання антен однакові:

З урахуванням (25) можна отримати:

Коефіцієнт посилення (КУ) антени - це параметр, який враховує не тільки фокусуючі властивості антени, але і її можливості перетворення одного виду енергії в інший.

КУ- це число, що показує, у скільки разів щільність потоку потужності П (і, ц) реальної (спрямованої) антени більша за щільність потоку потужності ПЕ (і, ц) еталонної (неспрямованої) антени для цього ж напрямку і на тому ж видаленні за умови, що потужності, підведені до антен, однакові.

Коефіцієнт посилення можна виразити через КНД:

де - коефіцієнт корисної діїантени. Насправді використовують - коефіцієнт посилення антени у бік максимального випромінювання.

Фазова діаграма спрямованості. Поняття про фазовий центр антени

Фазова діаграма спрямованості- це залежність фази електромагнітного поля, що випромінюється антеною, від кутових координат.

Так як в дальній зоні антени вектори поля Е і Н синфазні, то і фазова ДН однаковою мірою відноситься до електричної та магнітної складової ЕМП, що випромінюється антеною. Позначається фазова ДН так: Ш = Ш (і, ц) при r = const.

Якщо Ш (і, ц) = const при r = const, це означає, що антена формує фазовий фронт хвилі як сфери. Центр цієї сфери, де знаходиться початок системи координат, називають фазовим центром антени (ФЦА). Слід зазначити, що фазовий центр мають усі антени.

У антен, що мають фазовий центр і багатопелюсткову амплітудну ДН з чіткими нулями між ними, фаза поля в сусідніх пелюстках відрізняється р (180°). Взаємозв'язок між амплітудною та фазовою діаграмами спрямованості однієї і тієї ж антени ілюструється на малюнку 13.

Малюнок 13 - Амплітудна та фазова ДН

Напрямок поширення ЕМВ та положення її фазового фронту в кожній точці простору взаємно перпендикулярні.

Забезпечення досить малого рівня бічних пелюсток у ДН, як зазначалося раніше, одна із найважливіших вимог до сучасних антен.

При аналізі лінійних систем безперервно розташованих випромінювачів було помічено залежність рівня бічних пелюсток від закону АР у системі.

Принципово можна підібрати такий закон АР у системі, при якому бічні пелюстки ДН відсутні.

Справді, нехай є синфазна решітка з двох ізотропних

випромінювачів, розташованих на відстані d= – один від одного (рис. 4.36).

Амплітуди збудження випромінювачів вважатимемо однаковими (рівномірне АР). Відповідно до формули (4.73) ДН двоелементної решітки

При зміні 0 від ± - значення sin0 змінюється від 0 до ±1, а значення Д0) - від 2 до 0. ДН має лише одну (головну) пелюсток (рис. 4.36). Бічні пелюсткивідсутні.

Розглянемо лінійну решітку, що складається з двох елементів, кожен з яких є розглянутими вище ґратами. Нову решітку, як і раніше, вважаємо синфазною, відстань між елементами X

d = -(Рис. 4.37, а).

Мал. 4.36. Синфазна решітка з двох ізотропних випромінювачів

Мал. 4.37.

Закон АР у ґратах набуває вигляду 1; 2; 1 (рис. 4.37, б).

Відповідно до правила перемноження ДН решітки бічних пелюсток немає (рис. 4.37, в):

Наступний крок – синфазна лінійна система, що складається з двох

попередніх, зміщених по прямій на відстань - (рис. 4.38, а).Отримуємо чотириелементну решітку з АР1; 3; 3; 1 (рис. 4.38, б).ДН цих грат також не має бічних пелюсток (рис. 4.38, в).

Продовжуючи за наміченим алгоритмом нарощування числа випромінювачів у системі, для ДН синфазних грат, що складається з восьми елементів, отримаємо формулу

Мал. 4.38.

АР у таких ґратах запишеться відповідно у такому вигляді: 1; 7; 21; 35; 35; 21; 7; 1. Записані числа є коефіцієнтами у розкладанні бінома Ньютона (1 + х) 7 у ряд, тому відповідне їм АР називається біноміальним.

За наявності у лінійній дискретній системі пвипромінювачів біномне АР визначається коефіцієнтами у розкладанні бінома Ньютона (1 + х) п ~ 1, а ДН системи - виразом

Як бачимо з виразу (4.93), ДН бічних пелюсток немає.

Таким чином, за рахунок використання в синфазній дискретній системі біномного АР можна досягти повного виключення бічних пелюсток. Однак це досягається ціною суттєвого розширення (порівняно з рівномірним АР) головної пелюстки та зменшення КНД системи. Крім того, виникають труднощі у практичному забезпеченні синфазності збудження випромінювачів та досить точного біномного АР у системі.

Система з біномним АР дуже чутлива до зміни АФР. Невеликі спотворення у законі АФР викликають появу бічних пелюсток у ДН.

Через зазначені причини біномне АР в антенах практично не використовується.

Більш практичним і доцільним виявляється АР, у якому виходить так звана оптимальна ДН. Під оптимальною розуміється така ДН, у якої при заданій ширині головної пелюстки рівень бічних пелюсток мінімальний або при заданому рівні бічних пелюсток ширина головної пелюстки мінімальна.АР, що відповідає оптимальній ДН, можна назвати також оптимальним.

Для дискретної синфазної системи ізотропних випромінювачів, розпо-

закладених на відстані а> - один від одного, оптимальним є

Дольф – Чебишевське АР. Однак у ряді випадків (при певній кількості випромінювачів та певному рівні бічних пелюсток) це АР характеризується різкими «сплесками» на краях системи (рис. 4.39, а)і важко реалізовано. У цих випадках переходять до так званого квазіоптимального АР з плавним спаданням до країв системи (рис. 4.39, б).

Мал. 4.39. Амплітудні розподіли: а- Дольф – Чебишевське;

б -квазіоптимальне

При квазіоптимальному АР порівняно з оптимальним рівнем рівень бічних пелюсток дещо збільшується. Проте реалізувати квазіоптимальне АР значно простіше.

Завдання пошуку оптимального і відповідно квазіоптимального АР вирішене і для систем безперервно розташованих випромінювачів. Для таких систем квазіоптимальним АР є, наприклад, розподіл Тейлора.