Исследование трехканальной модели произвольных приемных антенн Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХКАНАЛЬНОИ МОДЕЛИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

Смирнов Евгений Владимирович,

доцент кафедры техническая электродинамики и антенны, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, smirnovev@yahoo.com

Ключевые слова: информационный канал, антенная теорема, диаграмма рассеяния, приемная антенна, ортогональный канал, оптическая теорема.

Начиная с 20 годов прошлого века и до настоящего времени, в научной и учебной литературе основным методом исследования приемных антенн является теорема взаимности. Такой подход вполне адекватно описывает мощность, выделяемую в нагрузке приемной антенны, но не дает никакой информации об ее рассеивающих свойствах и собственно процессах передачи информации в ней. В последние годы в МТУСИ разработана физическая теория приемных антенн, в основу которой положены метод ортогональных составляющих, оптическая и обобщенная антенная теорема. Эта теория позволяет с единой точки зрения рассматривать процессы приема, рассеяния и передачи информации. Согласно ей передача энергии от плоской волны к приемной антенне происходит по трем каналам взаимодействия, которые образуются ортогональной (ОСПР), информационной (ИСПР) и управляемой диаграммной (УДСПР) составляющими полного поля рассеяния. Такой подход позволил сделать вывод о том, что информация от плоской волны передается в нагрузку антенны только по информационному каналу взаимодействия, который образуется за счет взаимодействия ИСПР с полем плоской волны. Поэтому важно экспериментально обнаружить в полном поле рассеяния антенны эту составляющую. Для того чтобы информационная составляющая была хорошо заметна на фоне двух других, необходимо их уменьшить, а лучше устранить. УДСПР можно относительно легко устранить, нагружая антенну на сопротивление комплексно-сопряженное входному сопротивлению антенны в режиме передачи. Что касается относительного снижения ОСПР по сравнению с ИСПР, то, как показали наши исследования, здесь возможны два подхода. Первый предполагает исследование минимально рассеивающих антенн (МРА), так как в этих антеннах ОСПР равняется нулю. Примером антенны приближающейся по свойствам к МРА является настроенный полуволновый диполь. Второй подход состоит в том, чтобы максимально увеличить саму ИСПР. Исследования показали, что для этого целесообразно рассматривать остронаправленные антенны и облучать их с направления максимума диаграммы направленности антенны в режиме передачи, так как амплитуда ИСПР пропорциональна усилению антенны в направлении прихода волны. Полученные в настоящей работе строгие теоретические результаты позволили на примере известных экспериментальных результатов для поля рассеяния рупорной антенны показать существование ИСПРА.

Для цитирования:

Смирнов Е.В. Исследование трехканальной модели произвольных приемных антенн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №9. - С. 9-13.

For citation:

Smirnov E.V. Study three-channel model of arbitrary receiving antenna. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.9, рр. 9-13. (in Russian)

7T>

Введение

Начиная с 20 годов прошлого века и до настоящего времени в научной и учебной литературе [1-2,10] основным метолом исследования приемных антенн является теорема взаимности. Такой подход вполне адекватно описывает мощность, выделяемую в нагрузке приемной антенны, но не дает никакой информации об ее рассеивающих свойствах и собственно процессах передачи информации в ней. В последние годы в МТУ СИ разработана физическая теория приемных антенн [3-5] в основу которой положены метод ортогональных составляющих [6|, оптическая [7] и обобщенная антенная теорема [&]. Эта теория позволяет с единой точки зрения рассматривать процессы приема, рассеяния и передачи информации. Согласно ей передача энергии от плоской волны к приемной антенне происходит по трем каналам взаимодействия, которые образуются ортогональной (ОСПР), информационной (ИСПР) и управляемой диаграммной (УДСПР) составляющими полного поля рассеяния, Такой подход позволил сделать вывод о том, что информация от плоской волны передается в нагрузку антенны только но информационному каналу взаимодействия, который образуется за счет взаимодействия ИСПР с полем плоской волны. Настоящая работа посвящена продолжению теоретических исследований трех канальной модели приемных антенн, предложенной в [5] и обсуждению результатов экспериментальных исследований [9], подтверждающих существование ИСТ II1.

Анализ трех канальной модели приемных антенн.

Для начала изложим основные понятия и положения трехканальной модели приемных антенн (физическая теория приемных антенн), основываясь на результатах наших предыдущих работ [5-6]. Основным соотношением, характеризующим процесс взаимодействия приемной антенны и падающей на нее плоской волны, является оптическая теорема [7]. Согласно ей, мощность взаимодействия антенны с полем падающей на лее плоской волны равна мощности взаимодействия падающей волны с полем рассеяния антенны в направлении распространения волны и имеет вид

где F(rg) - нормированная в направлении максимума амплитудная ДН; lP(ij,) - фазовая ДН; R —единичный вектор в сферической системе координат (г, 0, (р); р(?д) - единичный

комплексный вектор, характеризующий поляризацию поля излучения антенны,

Г>М) = cos fjt),t + exp[i/?]sm tj$t, (4)

где параметр //(0 < /7 < /г/2) определяет соотношение амплитуд составляющих вектора р{?Л\ Р — фазовый сдвиг между компонентами; $^цф0- орты сферической системы координат. Д(й.,г0) - диаграмма рассеяния исследуемой антенны (ДРА), облучаемой плоской волной, заданной в форме

= е„ exp[-ik(/y-0)r], (5)

//({rt0,r0) = -^-[rixeu]expt-ik(«()r<i>].

(6)

где Д,(й0,Л0) ~ диаграмма рассеяния антенны ЩРА> в направлении распространения плоской волны, р — мощность,

выделяемая в нагрузке характеризуемой коэффициентом отражения Г, а р —мощность, рассеиваемая антенной. -

волновое сопротивление свободного пространства, а £

Л

- волновое число. Вектор а определяет направление распространения плоской волны, а е„ - ее поляризацию. Поле рассеяния антенны Ё1(«0,г(() связано с диаграммой рассеяния Д(л,,,/;,) соотношением

<2>

г

Комплексная диаграмма направленности (ДН) ^(у;,),

исследуемой приемной антенны в режиме передачи предполагается известной, причем

где g —единичный комплексный вектор (|ел|-1К характеризующий поляризацию первичной волны, причем

ёрЩ) — cos v0a + exp[/\-J si п уф03 (7)

параметры у ч к: аналогичны величинам ц и р в (4).

В физической теории приемных антенн полное поле рассеяния антенны (ПИРА) представляется в виде суммы информационной Ё]лГ (ИСПР), ортогональной р (ОСПР) и

управляемой диаграммной Ё (УДСПР) составляющих поля рассеяния в виде

Ё >0,?0) = ЁХ + Ё, г + % = Я + ДлГ + Д,) ™Pt!b±r (8)

г

где А . A.mt и А, диаграммы рассеяния ортогональной, информационной и управляемой диаграммной составляющих соответственно.

Ортогональность ИСПР и ОСПР понимается в смысле отсутствия между ними взаимной мощности, что позволяет рассматривать мощности этих составляющих раздельно и полагать суммарную мощность рассеяния антенны равной Я = ^ + С + (9)

где РХ,РЫ) и Р, ~ мощности ортогональной, информационной и диаграммных составляющих соответственно, а ртм - взаимная мощность между диаграммной составляющей и суммой ортогональной и информационной составляющих полного поля рассеяния приемной антенны.

В [5] лля информационной и диаграммной составляющих поля рассеяния антенны в строгой постановке было показано, что они могут быть представлены в виде

2ik г

А,-, D

2 tk

А -у

1 -уА

(П)

где О - максимальное значение КПД исследуемой антенны, А — коэффициент отражения от нагрузки антенны, а у — коэффициент отражения от входа антенны. Анализируя (10) и (11) можно сделать практически важный вывод о том, что

T-Comm Том 10. #9-20 16

7Т>

У

ИСПР и ДСПР зависят только от параметров антенны в режиме передачи, и поэтому для определения этих компонент полного ноля рассеяния нет необходимости решать задачу рассеяния. Как видно из (10) информационная компонента поля рассеяния произвольной приемной антенны по форме центрально - симметрична относительно формы ДМ этой антенны в режиме передачи. Из (10) также можно сделать вывод о том, что пи форма, ни амплитуда информационной составляющей не зависят от сопротивления нагрузки.

Поскольку ППРА представляется в виде суммы компонент полей рассеяния, то появляется возможность с каждой из этих компонент связать свой канал взаимодействия (К В) с полем плоской волны, который будет описываться своей оптической теоремой. Ниже приводится система оптических теорем, полностью описывающих приемный режим работы произвольных антенн, нагруженных на произвольную нагрузку

(12) (13)

2л- (: --ит\ ео,<

кга I

-Щ-м[г<>, -ДдйьЛ))]=-2 РГ

Д)) ^ = Р1 >

1 -уА

2 я

ш,

(14)

где

[У"

Г1

— мощность, выделяемая в нагрузке при Г = у

определяемая соотношением

„ш

П.

2 к-г..

(г(-»0).ё0)

(15)

Оптическая теорема (12) описывает работу информационного канала взаимодействия. Мощность, передаваемая по этому каналу, расходуется на мощность, выделяемую в нагрузке и на мощность рассеяния информационной и диаграммной компонент рассеянного антенной поля. Сравнивая между собой оптические теоремы (12-14) можно сделать вывод о том, что в нагрузку информация может передаваться только по информационному каналу взаимодействия. Поэтому он собственно и был назван информационным. Из (12) следует, что мощность, отбираемая от плоской волны по информационному каналу, не зависит от сопротивления

нагрузки и равна удвоенной мощности, выделяемой в на*

грузке при V-у ■ Мощность информационной составляющей поля рассеяния равна мощности, выделяемой в нагрузке *

при V - у и от нагрузки также не зависит. От нагрузки в информационном канале зависит только соотношение мощности, выделяемой в нагрузке и мощности диаграммной составляющей ноля рассеяния антенны, с учетом того, сумма этих мощностей постоянна и равна максимальной мощности, выделяемой в нагрузке р"™, Согласно (12) мощность,

выделяемая в нагрузке пропорциональна значению информационной компоненты поля рассеяния антенны в направлении распространения волны. Учитывая, что ИС11Р центрально - симметрична относительно ДН антенн в режиме передачи, то это и объясняет, почему ДН в режиме приема и передачи совпадают, несмотря на го, что распределение токов в антенне в режиме приема и передачи в общем случае разное. Оптическая теорема (13) описывает работу диа-

граммного канала взаимодействия. Из нес видно, что мощность, переносимая по этому каналу расходуется только на создание взаимной мощности р между диаграммной составляющей и составляющей поля рассеяния антенны при Гаг( Причем как можно видеть из (13) эта мощность зависит от сопротивления нагрузки. Выбором нагрузки можно менять не только величину взаимной мощности, но и ее знак, а это в свою очередь позволяет минимизировать или максимизировать мощность, рассеиваемую антенной за счет выбора оптимального сопротивления нагрузки антенны при сохранении требований к мощности, выделяемой в нагрузке, что и было реализовано в [3]. Оптическая теорема (14) описывает работу ортогонального канала взаимодействия. Из нее следует, что мощность, отбираемая от плоской волны по этому каналу, расходуется только на создание мощности ортогональной компоненты поля рассеяния. При этом интересно отметить, что при облучении антенны с направления ее нулевого приема согласно (10) и (11) Л[:и и Д, будут равны нулю и поэтому информационный и диаграммный каналы выключаются. 13 этом случае информационная связь по радиолинии прекращается, но при этом падающая на антенну плоская волна наводит на ее поверхности токи, которые создают ортогональную составляющую поля рассеяния антенны. Согласно оптической теореме для ортогональной составляющей (14) при этом происходит передача энергии от плоской волны по ортогональному каналу взаимодействия, то есть электродинамическая связь в радиолинии будет сохраняться. Таким образом, наличие электродинамической связи в радиолинии еще не говорит о наличии в нем информационной связи.

Экспериментальное обнаружение ИСПР.

Из изложенного выше видно, что ключевым положением в физической теории приемных антенн, является утверждение о том, что в состав полного поля рассеяния произвольной приемной антенны входит информационная составляющая, ответственная за передачу информации в нагрузку антенны. Поэтому, несмотря на то, что сама ИСПР была найдена нами из строгого решения задачи падения плоской волны на приемную антенну, принципиально важно экспериментально обнаружить в полном поле рассеяния антенны эту составляющую. Дчя того чтобы информационная составляющая была хорошо заметна на фойе двух других составляющих, необходимо их уменьшить, а лучше устранить. Как видно из (11) У ДСПР можно относительно легко устранить, нагружая антенну на сопротивление комплексно-сопряженное входному сопротивлению антенны в режиме передачи. Что касается относительного снижения ОСПР по сравнению с ИС1II1, то, как показали наши исследования, здесь возможны два подхода. Первый предполагает исследование минимально рассеивающих антенн (МРЛ), так как в этих антеннах ОСПР равняется нулю. Примером антенны приближающейся по свойствам к МРЛ является настроенный полуволновый диполь. Второй подход состоит в том, чтобы максимально увеличить саму ИС11Р. Анализируя (10) можно сделать вывод, что для этого целесообразно рассматривать остронаправленные антенны с высоким КНД и облучать их с направления максимума диаграммы направленности антенны в режиме передачи, так как амплитуда ИСПР

пропорциональна КНД антенны в направлении прихода волны. Рассмотрим второй подход на примере экспериментальных данных по рассеянию плоской волны па пирамидальном рупоре, при его облучении с направления максимума ДН в режиме передачи, приведенных в [9].

ч \ i i ____i............L..............;...............

/ / --------i— \ ! V ■■■ i......!........■■!■■■■ ■

.......fy \ \ | \ * '

I / -■Vy-!................г ...........

t f i \ i : \ 1 : ..........-V-V4............1............... \ 11 '•

Ч- L * / i""......■■ / .......—....... ...............

f" Vl

■------- ; ~~--------

Па рисунке 1 приведены результаты нашего теоретическою исследования ДМ этого рупора токовым методом (пунктирная линия), его диаграмм рассеяния (ДР) при коротко замкнутой нагрузке (сплошная линия) и нагрузке

Г = у (точечная линия). Как видно из рисунка подключение

на вход приемной антенны сопротивления комплексно-сопряженного входному сопротивлению антенны в режиме передачи практически полностью устраняет управляемую диаграммную составляющую поля рассеяния рупорной антенны. Наличие небольшого поля рассеяния в направлении главного лепестка ДП антенны может быть объяснено существованием в этой области незначительных полей рассеяния ортогональной и информационной составляющих.

На рисунке 2 пунктирной линией показана расчетная ДН исследуемого пирамидального рупора, а сплошной линией ДР информационной составляющей, которая была получена из ДН рупора в соответствии с соотношением (10), то есть с помощью центрально - симметричного отображения ДН антенны из области углов наблюдения близких к 0 на область углов наблюдения близких к 180 . Как видно из рисунка 2 ДН рупора достаточно узконаправленна, КНД антенны высокое— 40 и антенна облучается с направления максимума ДП антенны в режиме передачи, то есть все требования, сформулированные выше к эксперименту по обнаружению ИСПР, здесь выполнены. Необходимо также обратить внимание на то, что основная доля энергии ИСПР сосредоточена в узком секторе углов наблюдения в окрестности угла 180 , поэтому нас в первую очередь будут интересовать результаты эксперимента именно в этом секторе.

Рис. 3. Экспериментальное подтверждение существования ИСПР

Па рисунке 3 приведены результаты сравнения экспериментальных данных для пирамидального рупора, приведенные в [9] (сплошная линия) с нашими теоретическими результатами для информационной составляющей, полученными в соответствии с (10) и данными рис.2 (пунктирная линия). Сравнительный анализ этих результатов показывает, что измеренная диаграмма рассеяния рупора в секторе углов наблюдения в окрестности угла 180 очень хорошо совпадает с расчетными значениями ИСПР, что является основанием полагать, что в этом эксперименте мы наблюдаем именно ИСПР. Отличие поля рассеяния антенны от ИСПР при углах наблюдения близких к 90 можно объяснить тем, что в этой области ИСПР очень мала и рассеянное ноле определяется ортогональной составляющей поля рассеяния, которая, судя по экспериментальным данным существует в основном в окрестности углов наблюдения близких к 90 и поэтому вносит незначительный вклад в рассеянное поле в области существования ИСПР. Именно этим обстоятельством и можно объяснить такое хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов для ИСПР.

T-Comm Том 10. #9-20 16

Ряс. 2. Информационная составляющая поля рассеяния пирамидального рупора (расчет)

Рис. I. ДН и ДР пирамидального рупора для разных значений сопротивления нагрузки антенны (расчет)

г \л

Таким образом, можно считать экспериментально доказанным, как существование ИСТ [Р, так и обоснованность всей, обсуждаемой в настоящей работе физической теории приемных антенн. 1 ¡рнведенные в настоящей работе строгие теоретические результаты могут служить надежной основой для проведения дальнейших машинных и нзтурных экспериментов по исследованию свойств информационной составляющей полного поля рассеяния произвольных приемных антенн.

Литература

1. Свешникова МП. Теорема взаимности в электродинамике и радиотелеграфии // ЖРФХО, 1927. Т.59. С. 453-464,

2. Нейман М.С. Принцип взаимности н теории антенн // ИЭСТ. 1935, №8. С. 1-11.

3. Смирнов Е.В. Применение метода диаграммной составляющей для анализа работы приемной антенны //Т-Сотт: Телекоммуникации и тра1¡спорт, 2010. Выи. Я, С, 40-43.

4. Смирнов Е.В. Исследование влияния диаграммы направленности антенны на каналы взаимодействия плоской волны

ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING

с рассеянным антенной нолем //Труды НТОРЭС ИМ, A.C. Попова, 2010, вып. LXV.C. 14-16.

5. Смирнов Е.В. Исследование информационного канала взаимодействия произвольных приемных антенн // T-Comm; Телекоммуникации и транспорт. 2015, том 9, № 7. С. 41 -46.

6. Смирнов Е.В. Применение метода ортогональных составляющих в задачах рассеяния приемных антенн // INTFRMATIC 2015 Материалы Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения", I -5 декабря 2015 г. М.:МИРЭА, 2015. Часть 5. С. 274-278.

7. Ерохин Г.А. Оптическая теорема для приемных антенн и ее следствия // РЭ. 1990. Т. 35. С. 2065-2071.

8. Смирнов Е.В. Обобщенная антенная теорема // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. № 12. С. 83-87,

9. Midgley D "A theory öf receiving aerials applied to the reradiation of an electromagnetic horn" // Proceedings I.E.E. November, 1961, pp. 645-650.

10. Epoxi/н Г.А., Черны шов О. В., Козырев Н.Д., Качержевский В. Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. — М.: Горячая Линия — Телеком, 2007. 531 с.

STUDY THREE-CHANNEL MODEL OF ARBITRARY RECEIVING ANTENNA

Evgeniy V. Smirnov, Associate Professor of technical electrodynamics and antennas Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, smirnovev@yahoo.com

Abstract

Since the 20's of the last century to the present time, in the scientific and educational literature, the main research method of receiving antennas is reciprocity theorem. This approach is quite adequately describes the power generated in the load of the receiving antenna, but provides no information about its scattering properties and the actual transfer of information in it. In recent years, it developed a physical theory receiving antennas in MTUCI, which is based on the method of orthogonal components, the optical and generalized antenna theorem. This theory allows a single point of view to consider acceptance processes, scattering and transmission of information. According to this transfer of energy from a plane wave to the receiving antenna takes place through three channels of interaction that are formed orthogonal (OCSF), information (ICSF) and managed by the diagram components of the total scattering field (MDCSF). This approach led to the conclusion that the information is transmitted from a plane wave in the antenna load only the information on channel interaction, which is formed by the interaction the field ICSF with plane wave. Therefore, it is important to experimentally detect the full scattering field of the antenna this component. In order for the information component was clearly visible against the background of the other two, it is necessary to reduce them, but rather to eliminate. MDCSF can be relatively easy to fix, loading the antenna resistance complex conjugate of the input impedance of the antenna in the transmit mode. As for the relative decline OCSF in comparison with the ICSF then as shown by our study there are two possible approaches. The first involves the study of a minimum of scattering antenna (MSA) as the OCSF these antennas is zero. An example of an antenna approaching the properties of a MSA is tuned half-wave dipole. The second approach is to maximize the very ICSF. Research has shown that for this purpose it is advisable to consider the highly directional antennas and irradiate them with the radiation pattern of the antenna in the direction of maximum transmission mode, since the amplitude of ICSF proportional gain of the antenna in the direction of wave arrival. Strict theoretical results obtained in this study allowed the example of the known experimental results for the scattering field of a horn antenna to show the existence of ICSF.

Keywords: information channel, antenna theorem, scattering diagrams, receiving antenna, orthogonal channel, optical theorem. References

1. Sveshnikova, M.P. (1927), "Reciprocity theorem in electrodynamics and radiotelegraphy", Zhurnal Rossiyskogo fiziko-khimicheskogo obshchestva, vol.59, no. 5-6, pp. 453-464. (In Russian)

2. Neiman, M.S. (1935), "Principle of reciprocity in antenna theory", Izvestiya elektropromyshlennosti slabogo toka, no. 8, pp. 1-11. (In Russian)

3. Smirnov, E.V. (2010), "Application of the chart component for the analysis of the receiving antenna", "T-Comm, no. 8, pp. 40-43. (In Russian)

4. Smirnov, E.V. (2010), "Investigation of the influence of the antenna pattern on the channels of communication with scattered plane wave antenna field", Trudy Rossiyskogo nauchno-tekhnicheskogo obshchestva radiotekhniki, elektroniki i svyazi imeni A.S. Popova [Proceedings of the Russian Scientific and Technical Society of Radio Engineering, Electronics and Communication named after A.S. Popova], no. LXV, pp. 14-16. (In Russian)

5. Smirnov, E.V. (2014), "Generalized antenna theorem", "T-Comm -Telecommunications and Transport" magazine, no. 12, pp. 83-87. (In Russian)

6. Smirnov, E.V. (2015), "Study information channel of interaction of arbitrary receiving antenna", "T-Comm, no. 7, pp. 41-46. (In Russian)

7. Smirnov, E.V. (2015), "Application orthogonal components in scattering problems receiving antennas", FUNDAMENTAL PROBLEMS OF RADIOENGINEERING AND DEVICE CONSTRUCTION. Proceedings of the International Scientific and Technical Conference <<INTERMATIC-20I5>> December 1-5, 2015, Moscow, part 5, pp. 274-278. (In Russian)

8. Erokhin, G.A. (1990), "Optical theorem for the receiving antennas and its consequences", Radiotekhnika i elektronika, vol. 35, no. 10, pp. 2065-2071. (In Russian)

9. Midgley D. (1961), "A theory of receiving aerials applied to the reradiation of an electromagnetic horn", Proceedings I.E.E. November, pp. 645-650.

10. Erokhin G.A., Chernyshov O.V., Kozyrev N.D. and Kocherzhevskiy V.G. (2007), Antenno-fidernyye ustroystva i rasprostraneniye radiovoln [Antenna-feeder devices and radio wave propagation], Goryachaya Liniya - Telekom, Moscow, Russia. (In Russian)