CC BY
28
2007
Доклады БГУИР
январь- март
№ 1 (1 7)
УДК 621.396.67 (075.8)
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАССЕЯНИЯ МАЛОЭЛЕМЕНТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДИРЕКТОРНЫХ АНТЕНН
О.А. ЮРЦЕВ, АЛЬ-РИФАИ АБДУЛЬМУИН
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 21 апреля 2006
Рассматривается диаграмма рассеяния и эффективная площадь рассеяния линейных синфазных антенных решеток директорных антенн. Приводятся результаты численного моделирования решеток с использованием метода моментов.
Ключевые слова: антенная решетка, директорная антенна, эффективная площадь рассеяния, метод моментов.
Введение
Вопросам рассеяния поля антенных решеток посвящен ряд статей. Так, в работе [1] рассматриваются характеристики рассеяния 8-элементной линейной решетки из полуволновых вибраторов без рефлекторов методом 8-матрицы. В известных работах не рассмотрены характеристики рассеяния антенных решеток из директорных антенн. Этому вопросу посвящена настоящая статья. Исследуется зависимость диаграммы рассеяния (ДР) и эффективной площади рассеяния (ЭПР) от числа излучателей в антенной решетке, от направления падения облучающей плоской волны и параметров отдельного излучателя.
Объект и метод анализа характеристик рассеяния
Объектом исследования является линейная антенная решетка (АР) из директорных антенн (ДА). Схема расположения излучателей показана на рис. 1. Излучатели показаны условно в виде прямоугольников. Обозначения геометрических параметров решетки и отдельного излучателя: Бх — расстояние между соседними излучателями по оси X; Мх — число излучателей в решетке по оси X; N — число директоров в директорной антенне. Другие геометрические параметры (длина вибратора директорной антенны, расстояния между рефлектором и вибратором, между вибратором и директорами, длина директоров) выбирались из условия равенства нулю реактивной части входного сопротивления на средней частоте выбранного для моделирования диапазона частот.
а
х
Рис. 1. Антенная решетка
Поскольку характеристики рассеяния связаны с характеристиками излучения (диаграммой направленности — ДН, коэффициентом направленного действия — КНД, входным сопротивлением — Z=Л+7X), анализировались характеристики излучения и рассеяния.
Моделирование проводилось численно. Объект исследования — антенна, состоящая из тонких по отношению к длине волны проводников. Поэтому использован метод моментов [2] — интегральное уравнение (ИУ) Поклингтона, импульсные функции — в качестве базисных и весовых при сведении интегрального уравнения к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Эффективная площадь рассеяния определялась по полю рассеяния при нагрузке входов директорных антенн на короткое замыкание и согласованную нагрузку. Численное моделирование проведено в диапазоне частот со средней частотой 300 МГц. Средняя частота выбрана произвольно, но полученные результаты могут быть пересчитаны на любую другую частоту с соблюдением правила масштабирования антенны. Во всех случаях рассчитывалась ЭПР (обозначается символом с), нормированная к квадрату длины волны (с/Я2). ЭПР при коротком замыкании входа директорных антенн далее обозначена символом с (полная ЭПР), при согласованной нагрузке на входе антенны — символом с (структурная составляющая). Антенная составляющая ЭПР обозначается символом са. Директорные антенны в решетке ориентируются так, чтобы плоскостью Е была плоскость XX, плоскостью Н — плоскость Ось директорной антенны ориентирована вдоль положительных значений координаты г. Далее это направление обозначается символом +Z, обратное направление — символом -X.
Результаты численного моделирования
Для выяснения зависимости ЭПР антенной решетки от числа излучателей предварительно рассмотрена АР из излучателей в виде полуволнового резонансного вибратора с линейным рефлектором. На рис. 2, 3 показаны ДР в плоскости Е одного излучателя при облучении плоской волной, распространяющейся вдоль +Z и вдоль -Z для случая короткого замыкания входа антенны и подключения ко входу согласованной нагрузки. На рис. 2, 3 показаны также значения csA,2 (длина волны обозначена символом L0). Как видно, ДР и ЭПР существенно зависят от направления распространения облучающей электромагнитной волны и от нагрузки на входе антенны. Зависимость ДР от нагрузки особенно проявляется при облучении антенны волной в направлении +Z.
Поле рассеяния зависит от того, на какое сопротивление нагружены входы излучателей. В реальной антенной решетке входы излучателей согласованы с линиями передачи, т.е. нагружены на согласованные нагрузки. Входное сопротивление каждого излучателя зависит от того, возбужден только этот излучатель, а остальные находятся в пассивном режиме, или все излучателя возбуждены. Причем в первом случае входное сопротивление возбуждаемого излучателя зависит от нагрузки пассивных излучателей, во втором случае входное сопротивление излучателя зависит от амплитудно-фазового распределения возбуждения излучателей решетки. На рис. 4 показана зависимость входного сопротивления центрального излучателя рассматриваемой линейной решетки от числа излучателей Mx, рассчитанная для двух случаев: кривые 1 соответствуют возбуждению всех излучателей с равномерным амплитудно-фазовым распределением, кривые 2 соответствуют случаю, когда возбужден только центральный излучатель, а все остальные нагружены на короткое замыкание.
В конечной антенной решетке входное сопротивление зависит также от места положения излучателя в решетке, так как от этого места зависит степень взаимодействия каждого излучателя со всеми остальными. Поэтому амплитудно-фазовое распределение возбуждения излучателей, установившееся в решетке за счет взаимодействия, отличается от амплитудно-фазового распределения стороннего возбуждения излучателей. При численном
моделировании входы излучателей нагружались на сопротивление, комплексно-сопряженное входному сопротивлению излучателя в составе решетки.
Частага= 300.0 МГц ЭПРД1_010)= 3.1549 Частага= 300.0 МГц ЭПР/(1_010)= 2.2ЭЗЗ
Рис. 2. Режим рассеяния. На входе антенны короткое замыкание
Частота= 300.0 МГц ЭПР/(1_010)= 0.4431 Частсгта= 300.0 МГц ЭПРЩГ|_0)= 1.2203
Рис. 3. Режим рассеяния. На входе антенны согласованная нагрузка
Рассчитана зависимость нормированной ЭПР от числа излучателей при ДД=0,55 при облучении решетки вдоль —X для случая, когда ко входам излучателей подключена согласованная нагрузка и когда все излучатели закорочены. В первом случае ЭПР представляет собой структурную составляющую с8, соответствующую полю рассеяния, создаваемому излучением проводников антенны, возбуждаемых плоской волной. Во втором случае поле рассеяния есть сумма поля излучения токов, наводимых в проводниках антенны плоской волной, и поля, переизлученного антенной в результате отражения токов в линии передачи от короткозамыкающей нагрузки. ЭПР, соответствующая этому суммарному полю, есть полная ЭПР (с). Рассчитана также антенная составляющая ЭПР (са) по формуле са=А^а/4л, где Ga — коэффициент усиления антенны. В решетке из излучателей в виде симметричного вибратора с линейным рефлектором составляющие с и са практически совпадают (отличаются на доли процента). Полная составляющая с превышает са вдвое. На рис. 5 показана зависимость са/А2 от числа излучателей в решетке — кривая 1 и зависимость с/А2 — кривая 2. Этот результат означает, что в решетке из указанных излучателей антенная и структурная составляющие поля рассеяния синфазны.
4 8 12 16 ™ М 0 4 8 12 Рис. 4. Зависимость входного сопротивления от числа излучателей
а/12 200
160 120 80
40
/
/
/ /
/
1 /
2 \ / /
г /
< / / /
/ г Л \
/ \ 41
у
- -
0 4 8 12 16 20 Мх Рис. 5. Зависимость нормированной ЭПР от числа излучателей решетки
Рис. 6. Зависимость ЭПР антенной решетки от числа директоров
Проведено численное моделирование решетки из излучателей в виде симметричного вибратора с линейным рефлектором с несколькими директорами. На рис. 6 показана
зависимость структурной составляющей ЭПР от числа директоров Nd в антенне при двух значениях числа излучателей в решетке Mx=5 и Mx=10. Установлено, что с ростом числа директоров меняется соотношение между антенной и структурной составляющими ЭПР. Если при Nd=1 эти составляющие почти одинаковы, то с ростом числа директоров антенная составляющая растет значительно быстрее структурной составляющей. Этот результат связан с тем, что в режиме излучения размеры элементов антенны выбраны так, чтобы КНД был максимальным. При этом все вибраторы директорной антенны правильно сфазированы. В режиме рассеяния при облучении волной, распространяющейся навстречу оси антенны, фазировка вибраторов директорной антенны нарушается, расширяется главный лепесток диаграммы рассеяния по сравнению с диаграммой направленности.
Заключение
Рассмотрена эффективная площадь рассеяния малоэлементной антенной решетки директорных антенн в зависимости от числа излучателей в решетке и числа директоров в одном излучателе. Показано, что полная ЭПР решетки, соответствующая короткому замыканию входов директорных антенн, растет быстрее, чем число излучателей в решетке. Структурная составляющая ЭПР растет с увеличением числа директоров Nd. При числе директоров Nd<2 структурная составляющая практически равна антенной составляющей ЭПР. С ростом числа директоров антенная составляющая растет быстрее, чем структурная составляющая ЭПР.
SCATTERING CHARACTERISTICS OF FEW-ELEMENT LINEAR ANTENNA ARRAY FROM UDA-YAGI ANTENNAS
OA. YURTSEV, ALRIFAI ABDOUL MOUEN Abstract
Scattering diagram and Radar Cross Section of linear inphase Uda-Yagi antenna array are analyzed. The results of antenna array numerical modeling by moment method are presented.
Литература
1. Сазонов Д.М., Школьников А.М. // Радиотехника и электроника. 1974. Т. 19, № 4. C. 679-683.
2. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митры. М., 1977.
