CC BY
20
ф
УДК 621.396.67
И. Н. Ростокин, Е. В. Федосеева, Е. А. Ростокина Электромагнитное моделирование двухмодового многочастотного облучателя зеркальной антенны с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности
Рассмотрены вопросы построения антенной системы многочастотного пассивного радиолокационного измерительного комплекса с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности. Приведены результаты экспериментальных исследований направленных свойств многочастотного двухмодового облучателя. Представлены результаты электромагнитного моделирования характеристик прохождения сигналов в предлагаемом многочастотном облучателе.
Ключевые слова: пассивная радиолокация, двухмодовый облучатель, диаграмма направленности.
о см
<
I
(0 га
s |
о
CQ <я г
о.
ф
о
и
V
со
см
■Clin о
I
см
■Clin см
(П (П
Структурная схема многочастотного двухмодового облучателя
Основным требованием к антенне каждого частотного канала пассивной радиолокационной системы является формирование двух выходных сигналов: основного измерительного и дополнительного сигнала компенсации. Уровень последнего в основном определяется адекватным основному каналу приемом радиошумового излучения через область рассеяния диаграммы направленности (ДН) основного антенного канала. Реализация двухканального приема с указанными характеристиками возможна при работе в двухмо-довом режиме - на модах Ип и E01 круглого волновода с последующим разделением мод в приемном питающем волноводе антенны (мо-довом разделителе) [1, 2].
Модовый разделитель каждого частотного диапазона, структурная схема которого приведена на рис. 1, выполнен на основе круглого волновода, к которому подключены три волновода - выходы антенны. В совокупности с круглым волноводом первый и второй антенные каналы (41 ОСН ГОР и 42 ОСН ВЕРТ) образуют выход антенны, осуществляющей прием на волне Ип на двух ортогональных поляризациях. Третий антенный канал (42) принимает сигнал на волне E01.
Антенный облучатель работает следующим образом. Широкополосный или шумовой сигнал подается в круглый волновод, в котором возбуждаются волны Ип и E01. Трансформатор типов волн Ип ^ И10 представляет собой
© Ростокин И. Н., Федосеева Е. В., Ростокина Е. А., 2017
11x5,5 □□ ^2(1,35) ОСН ВЕРТ
-о
013
Двухмодовый облучатель диапазона 1,35 см
Трансформатор Н1ГН10 * МФ - Трансформатор Е0ГН10
Ни Е01
11x5,5 □□ Л1(1,35)ОСНГОР 11x5,5 □□ ЛЗ(1,35)ДОП
Рис. 1. Структурная схема многоволнового двухмодового облучателя; МФ - модовый фильтр
а
б
в
перпендикулярное подключение волновода (например, прямоугольного) к боковой стенке круглого волновода, в которой имеется прямоугольное окно. Его широкая стенка параллельна оси круглого волновода, а размеры ограничены поперечным сечением подключенного волновода. В таком трансформаторе осуществляется ответвление энергии, переносимой волной Нп, и подача ее на выход второго плеча. Структура поля волны Е01 в перпендикулярном плече в виде прямоугольного волновода не может возбудить волну И10, поскольку составляющие вектора Е напряженности электрического поля параллельны узкой стенке, одинаковы по амплитуде и направлены в противоположные стороны. Режекторный фильтр, например, в виде проводящего кольца (рис. 2, б) в поперечном сечении круглого
б
Рис. 2. Вариант практической реализации многоволнового двухмодового облучателя
зеркальной антенны: а - внешний вид; б - внутреннее строение
волновода препятствует прохождению волны Нп и пропускает на вход трансформатора Е01 ^ Н10 только энергию, переносимую волной Е01. Трансформатор типов волн Е01 ^ Н10 представляет, например, перпендикулярное подключение прямоугольного волновода со стороны широкой стенки к круглому волноводу. Таким образом, на выходе трансформатора (третий канал ^3) выделяется сигнал, пропорциональный только энергии волны Е01 [3].
Способ возбуждения осесимметричной волны типа Е01 в круглом волноводе от прямоугольного волновода с волной типа Н10 заключается в следующем. Прямоугольный волновод соединяется с круглым волноводом через поперечное прямоугольное отверстие (рис. 2, б). Для лучшего возбуждения волны типа Е01 круглый волновод с одной стороны закорачивается на расстоянии Х2 Е 01/2 от центра возбуждающего прямоугольного отверстия.
Для подавления паразитной волны низшего типа Ип, которая также возбуждается в области соединения круглого и прямоугольного волновода, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкое металлическое кольцо. Периметр кольца выбирают близким к Х0, чтобы волна типа Нп возбуждала в нем резонансные колебания с одной вариацией тока по периметру. Такое резонансное кольцо действует на волну Нп подобно короткозамыкателю. Расположив кольцо на расстоянии Х2Ип/4 от центра щели, удается эффективно подавить волну Нп в круглом волноводе. На волну типа Е01, силовые линии электрического поля которой радиальны и лежат в плоскости кольца, резонансное кольцо влияния практически не оказывает [4].
Кольцевой фильтр отражает волны типов Нп и Н10. Для волны типа Нп кольцо с периметром (1,1...1,2)% является резонансной _ системой, полностью отражающей волну. Для * этой волны оно эквивалентно двум полуколь- | цам длиной, приблизительно равной X/2 ка- 5
ждое, т. е. полуволновым резонаторам, разом- Ц г, а
кнутым на концах. С увеличением толщины ^
кольца возрастают ширина частотной полосы |
фильтра для волны Нп и отношение периме- &
тра к резонансной длине волны, также растет |
и отражение пропускаемых фильтром волн. ^
ф
Кольцо пропускает волну типа Е01, у которой Еф = 0; малый коэффициент отражения этой волны определяется прежде всего малой площадью кольца в поперечном сечении волновода [5].
Исследование направленных свойств многочастотного двухмодового облучателя
В качестве объекта исследования были выбраны двухмодовые облучатели двухканальных двухмодовых антенн. Результаты математического моделирования ДН указанных антенн для двух каналов: основного измерительного (ОСН-канал) и дополнительного формирования сигнала компенсации (ДОП-канал) -представлены на рис. 3.
Кроме численного моделирования ДН двухканальных антенн было выполнено экспериментальное исследование их направленных свойств. В экспериментах использовались полупроводниковые генераторы шума производ-
ства НПП «Исток» М31305-1 для диапазонов 7,5 и 3,2 см, М31305-4 для диапазона 1,35 см. Генерируемая шумовая мощность достигает 33 дБ относительно кТ0. Спектральная плотность мощности шума генераторов изменялась с помощью волноводного плавного аттенюатора от 0 до -30 дБ. Результаты экспериментальных измерений ДН двухканальных антенн по радиотепловому излучению полупроводниковых генераторов шума (ГШ) на лавинно-про-летных диодах, используемых в качестве точечного излучателя, находящегося в дальней зоне антенны, соответствующих диапазонов представлены на рис. 4.
Результаты экспериментальных исследований направленных свойств двухканаль-ных антенн показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, что подтвердило возможность реализации требуемых характеристик направленности для фор-
о см
<
I
(0 га
г |
0 ^
со га
1
о.
<и
о
и <и со
см ■ч-ю о
I
см ■ч-ю см
(П (П
0,9
0,7
0,5
0,3
0,1 0
-80
-40
/* Л
/ / \
/ \
/ / \ 1
1 у
1 \
/1\ / н .2
п \ / ч\
// \ / V
0 б
40
80
Рис. 3. Результаты математического моделирования ДН многоволнового двухмодового облучателя
для диапазонов 7,5 (а), 3,2 (б) и 1,35 см (в): 1 - ОСН-канал; 2 - ДОП-канал
-80 -60-40-20 0 20 40 60 80 а
0,9
0,7
0,5
0,3
ОД
ttrt I1'1'
m................ар
-80 -60-40-20 0 20 40 60 80
0,9 0,7 0,5 0,3
Моделирование характеристик антенного устройства пассивной радиолокационной системы
В соответствии с геометрическими размерами антенного устройства, определенными из условий его функционирования в двухмодо-вом режиме, в программе Microwave Studio была построена модель для оценки условий прохождения входных сигналов в трех последовательных секциях.
-80 -60-40-20 0 20 40 60 80 в
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований ДН многоволнового двухмодового облучателя для диапазонов 7,5 (а), 3,2 (б) и 1,35 см (в): 1 - ОСН-канал; 2 - ДОП-канал
мирования сигналов компенсации адекватных помеховым составляющим входных сигналов системы в трех указанных частотных диапазонах [6].
-100
/, ГГЦ
Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента передачи основного (а) и дополнительного (б) каналов и коэффициента изоляции между основным и дополнительным каналами (в) первой секции антенного устройства
га
m
X Ф
ч
га Q.
га
о о.
£
ф ц
(Ч
ш
Характеристики антенного устройства трехдиапазонной пассивной радиолокационной системы
с компенсацией влияния фонового излучения
Центральная частота диапазона, ГГц Коэффициент передачи основных каналов, дБ Коэффициент изоляции между основным и дополнительным каналом, дБ
Первая секция антенного устройства
3,5 -1,5 -25
10 -35 -
22 -30 -
Вторая секция антенного устройства
3,5 -55 -100
10 -1,0 -
22 -38 -
Третья секция антенного устройства
3,5 -60 -
10 -55 -
22 -1,5 -80
о см
<
I
о га
s
о ^
со га г о. ф
о
и
V
со
см ■ci-io о
I
см ■ci-io см
(П (П
На рис. 5 отображены результаты моделирования характеристик первой секции антенного устройства. Сводные данные по всем трем секциям представлены в таблице. Заключение
Полученные результаты моделирования характеристик антенного устройства трехди-апазонной пассивной радиолокационной системы с компенсацией фоновых шумов подтверждают возможность реализовать частотное разделение сигналов трех диапазонов при последовательном прохождении трех секций в основных и дополнительных каналах при соосном приеме излучения на общую апертуру зеркальной антенны.
В представленном антенном устройстве трехдиапазонной пассивной радиолокационной системы решена задача компенсации влияния фоновых шумов в каждом частотном диапазоне при формировании двух выходных (основного измерительного и дополнительного компенсации) сигналов в каждой секции антенного устройства и реализации компенсационного принципа приема радиоизлучения.
Сформулированы основные требования к антенному устройству пассивной радиолока-
ционнои системы с одновременным соосным приемом на общую апертуру в трех частотных диапазонах с компенсацией влияния фонового излучения окружающего пространства.
Определена структура трехсекционного антенного устройства с формированием основного измерительного сигнала и сигнала компенсации в каждом из трех частотных диапазонов и показана необходимость установки частотных волноводных фильтров низких частот в первых двух секциях для решения задачи частотного разделения сигналов при их последовательном выделении в трех секциях антенного устройства.
Приведены результаты моделирования характеристик прохождения сигналов в антенном устройстве, полученные в программе электродинамического моделирования Microwave Studio.
Получены частотные зависимости коэффициентов передачи основного и дополнительного антенных каналов и коэффициента их взаимной развязки.
Обобщены результаты моделирования параметров прохождения сигналов в трех секциях антенного устройства, приведены их значения на центральных частотах диапазонов.
Список литературы
1. Федосеева Е. В., Щукин Г. Г. Вопросы метрологического обеспечения радиотепло-локационных измерений в условиях действия внешних шумовых помех. Муром: Изд.-пол. центр МИВлГУ, 2012. 104 с.
2. Федосеева Е. В., Щукин Г. Г. Погрешность абсолютных радиотеплолокационных измерений при неоднородном фоновом шуме // Научный вестник МГТУ ГА. 2012. Вып. 186. С. 43-48.
3. Патент на изобретение № 2300831. Способ снижения уровня шума антенны и двух-модовая апертурная антенна // Е. В. Федосеева, Е. А. Ростокина, И. Н. Ростокин. Опубл.: 10.06.2007. Бюл. № 16. 6 с.
4. Патент на полезную модель № 98820. Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента
передачи системы // Е. В. Федосеева, И. Н. Ро-стокин, П. А. Ечин. Опубл.: 27.10.2010. Бюл. № 30. 2 с.
5. Патент на полезную модель № 122185. Модуляционный радиометр двухканальной радиометрической системы с программно-аппаратным модулем // Е. В. Федосеева, П. А. Ечин, И. Н. Ростокин, А. А. Молотков, А. А Федосеев. Опубл.: 20.11.2012. Бюл. № 32. 2 с.
6. Ростокин И. Н., Федосеева Е. В., Ростокина Е. А. Радиометрическая система дистанционного зондирования атмосферы // Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н. А. Арманда. Сб. докладов III Всерос. науч. конф. (Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г.). Муром: Изд.-пол. центр МИВлГУ, 2010. С. 263-266.
Поступила 24.01.17
Ростокин Илья Николаевич - кандидат технических наук, инженер первой категории АО «Муромский завод радиоизмерительных приборов», г. Муром.
Область научных интересов: пассивная радиолокация, проектирование СВЧ-устройств, антенные системы.
Федосеева Елена Валерьевна - доктор технических наук, доцент кафедры «Радиотехника» Муромского института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром.
Область научных интересов: антенны и СВЧ-устройства, математическое моделирование СВЧ-устройств, СВЧ-радиометрия.
Ростокина Елена Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление и контроль в технических системах» Муромского института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром.
Область научных интересов: дистанционное зондирование атмосферы, СВЧ-радиометрические системы, антенны СВЧ-радиометров.
Electromagnetic modelling of a dual-mode multi-frequency feed horn
of a reflector antenna with compensation for radiation pattern side lobes g
s
The article deals with constructing an antenna system for a passive multi-frequency radiometry system featuring * compensation for radiation pattern side lobes. We supply results of experimentally investigating directional S properties of a dual-mode multi-frequency feed horn. We also provide results of electromagnetic modelling of s signal transmission characteristics in the multi-frequency feed horn that we present. £
Keywords: passive radar detection, dual-mode feed horn, radiation pattern.
s
o
Rostokin Ilya Nikolaevich - Candidate of Engineering Sciences, Engineer of the first rank, Joint Stock Company "Murom ^ Radio Instrumentation Plant", Murom. g
Science research interests: passive radar detection, microwave device design, antenna systems. iH
| Эnектронмка. PaflMOTexHMKa|
CM
Fedoseeva Elena Valerevna - Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor, Department of Radio Engineering, Murom Institute (branch) of Vladimir State University, Murom.
Science research interests: antenna and microwave devices, mathematical modelling of microwave devices, microwave radiometry.
Rostokina Elena Anatolevna - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Department of Control and
Monitoring in Engineering Systems, Murom Institute (branch) of Vladimir State University, Murom.
Science research interests: remote sensing of the atmosphere, microwave radiometry systems, microwave radiometer
antenna.
