CC BY
7УДК 621.396.67
Результаты оценки относительного уровня принимаемой мощности из области рассеяния ДН антенн в системах пассивной тепловой радиолокации
Федосеева Е.В.
Аннотация: Приведены результаты численной оценки относительного уровня принимаемой мощности из области рассеяния ДН антенн с плоской апертурой в зависимости от амплитудного распределения поля по апертуре, формы апертуры - круглой и прямоугольной и ее размера относительно длины волны.
Ключевые слова: распределение поля по апертуре антенны, область рассеяния ДН антенны, системы пассивной тепловой радиолокации.
Results of an assessment of relative level of the accepted power from area of dispersion of the directional pattern of antennas of systems of a passive thermal radar-location
Fedoseeva E.V.
Abstract: Results of a numerical assessment of relative level of the accepted power from area of dispersion of the directional pattern of antennas with a flat aperture depending on amplitude distribution of a field on an aperture, aperture forms - round and rectangular and its size concerning wave length are given. The relative arrangement of the first lateral petals of the directional pattern of the antenna and border of halfspaces for an assessment of an error of compensation of background hindrances in a method of chart modulation in systems of a passive thermal radar - location is analyzed.
Keywords: field distribution on an antenna aperture, dispersion area the directional pattern of the antenna, system of a passive thermal radar-location.
Относительный уровень принимаемой мощности по области рассеяния антенны в любой радиосистеме определяет степень ее помехозащищенности и чувствительность, поэтому задача оценки и разработка способов снижения величины этой мощности являются основными задачами при разработке радиотеплолокационной системы.
В активных радиолокационных системах с относительно узкополосным сигналом применяются как конструктивные специальные решения антенных систем, позволяющие снизить уровень приема по области рассеяния ДН, так и определенные алгоритмы выделения информационного сигнала [1].
В пассивных системах, например, в системах пассивной тепловой радиолокации, широкая рабочая полоса является важным параметром, задающим чувствительность аппаратуры. Поэтому относительно узкополосные варианты модернизации антенных систем трудно применимы. В качестве антенн пассивных систем радиолокации применяют антенны с плоской апертурой - зеркальные и рупорные, относительный уровень принимаемой мощности в которых по области рассеяния задает величину помеховой составляющей, обусловленной приемом фонового излучения окружающего антенну пространства [2 - 4].
В связи с этим возникает задача определения способа оценки и получения численных данных по уровню принимаемого излучения из области рассеяния антенн с плоской апертурой, применяемых в системах пассивной тепловой радиолокации.
Постановка задачи
Численную оценку относительного уровня принимаемой мощности антенной по боковым и задним лепесткам ДН, следовательно, и коэффициента рассеяния антенны с плоской апертурой можно провести по выражениям, приведенным в [1], для угловой зависимости излученной мощности в заданный угловой сектор. Так, распределение нормированной мощности в области угловых координат 0 < и < и задается равенством
U ¥
7^2/ 4 7 /Г 7 ' 2 / \ 7
(1)
p(U) = | uF 2(u)du /1 uF 2(u )du
где и = —РЯ - нормированная угловая координата; Я - габаритный размер апертуры ан-1
тенны; F (и) - диаграмма направленности антенны.
Рассмотрим распределение излучаемой мощности антенной в пространстве для случаев прямоугольной и круглой излучающих апертур, что соответствует на практике рупорным и зеркальным антеннам.
Оценка относительной принимаемой мощности антенн с круглой апертурой
Для зеркальной антенны с синфазным распределением на апертуре поле может быть аппроксимировано параболическим распределением на пьедестале [1]
/ (г) = 1 - (1 -А)2 г2, (2)
где г - нормированная координата плоского раскрыва антенны; А - пьедестал функции распределения поля на апертуре. На практике чаще всего реализуется распределение поля, обеспе-чивающееспад его величины на краю раскрыва на -10 дБ, что соответствует пьедесталу амплитудного распределения А = 0.316 .
Тогда выражение для нормированной мощности, излучаемой антенной в области угловых координат 0 < и < и имеет вид [1]
p(u) = Л3 Л2 {d2 [l - J(u) - Ji2(u)]+ D(1 - A)[l - Л»] + ¿-^
1 + A + A2 3
1-Л» - u2 L22(u) 16
(3)
Для анализа влияния формы распределения поля на апертуре на угловое распределение мощности проведем численный анализ для следующих случаев: равномерное распределение поля по апертуре (А = 1), распределение поля с уменьшением его уровня на краю апертуры на -10дБ ( А = 0.316 ), распределение поля с уменьшением его уровня на краю апертуры до 0 (А = 0 ).
С целью исследования соотношения уровней мощности, принимаемой из углового сектора главного лепестка диаграммы направленности и боковых лепестков, были проведены расчеты по выражению (3) для апертур, размеры которых соответствуют ширине ДН антенны по уровню половинной мощности 6°, 20° и 30°.
Результаты расчетов приведены на рис.1 - 3, соответственно, на которых введены следующие обозначения: 1 -равномерное распределение поля по апертуре (А = 0); 2 - распределение поля с уменьшением его уровня на краю апертуры на -10дБ (А = 0.316); 3 - распределение поля с уменьшением его величины на краю апертуры до 0 (А = 1).
о
о
Рис.3.
Анализ полученных зависимостей относительного уровня принимаемой мощности из углового конуса пространства шириной в вокруг основного осевого направления показывает, что доля мощности не зависит от значения ширины главного лепестка ДН, а определяется формой распределения поля по апертуре антенны. Так, для всех трех излучающих апертур с шириной
главного лепестка ДН 6°, 20° и 30°, приведенных на рис.1 - 3, выполняются одинаковые соотношения мощностей, численные значения которых приведены в Таблице.
Распределение поля по рас-крыву, Д Относительная доля мощности, принимаемая из углового сектора, в %
главного лепестка по уровню -3 дБ 2в0 5 главного лепестка по нулевому уровню 2в первого бокового лепестка второго бокового лепестка третьего бокового лепестка
А = 0 47 84 7.2 2.8 1.4
Д = 0.316 53 95.5 2.3 0.8 0.4
Д = 1 55 98.2 1.3 0.2 0.1
Оценка относительной принимаемой мощности антенн с прямоугольной апертурой
ДН антенны с прямоугольной апертурой также зависит от формы распределения поля. Для антенны на основе прямоугольного волновода с поперечными размерами а и Ь с основной волной Н10 характерно для плоскости узкой стенки равномерное распределение поля
Ь Ь" 2; 2
/(у) = 1, где у е а в плоскости широкой стенки спадающее до нуля поле
(4)
f (х) = cos| Px |, где xе
a a '2;2
ДН антенны с прямоугольной апертурой в плоскости узкой стенки [1]
sin u
F (u) =■
(5)
(6)
Pb ■ a
где u = — sin a - нормированная угловая координата в плоскости узкой стенки. l
ДН антенны с прямоугольной апертурой в плоскости широкой стенки [1]
cos u
F (u) =
1 -(2u /p
(7)
pa
где u = — sin в - нормированная угловая координата в плоскости широкой стенки. l
Для оценки суммарной относительной мощности, принимаемой антенной с прямоугольной плоской апертурой с шириной ДН в угловой конус шириной в в первом приближении можно
использовать выражение, полученное в [1] для случая равномерного распределения поля в обеих плоскостях. Тогда суммарная относительная мощность, принимаемая из угловой области вокруг главной оси шириной в1 в плоскости широкой стенки и шириной в2 в плоскости узкой стенки, определяется по следующему выражению:
2 \ 2к
4
p(ßi,d2) = 2 p
si] 1 -
sin
l
a sine
2p
T
a sin в
Si| T-Ъв, I--
sin21 —b sinq
T
2p
T
Ъ sin в
(8)
где Si(z) = [-dx - интегральный синус.
J x
u
Рис. 4.
На рис. 4 приведены парные угловые зависимости ДН и суммарной относительной мощности, принимаемой из углового сектора, прилежащего к главному лепестку ДН антенны, для трех антенн с шириной главного лепестка 6° (1), 20° (2) и 30° (3). Анализ данных рис.4 показывает, что независимо от ширины главного лепестка в его пределах сосредоточенно порядка 81.5% от всей принимаемой мощности, а в первых трех боковых лепестках содержится соответственно 8.3, 3.2, 1.6%. Вне сектора 4в0 сосредоточенно около 5% принимаемой мощности.
Анализ полученных результатов оценки относительного уровня принимаемой мощности антенн в системах пассивной тепловой радиолокации
Дальнейший анализ относительной величины суммарной мощности, принимаемой антенной из области рассеяния ДН, проведем с учетом ширины главного лепестка и первых боковых лепестков ДН, т.к. расположение последних относительно областей пространства с сильно отличающимся уровнем радиотеплового излучения, например, атмосфера и подстилающая поверхность, является основным источником погрешности при пассивном радиотеплолокационном зондировании.
ДН антенны с круглым излучающим раскрывом с параболическим распределением поля с
пьедесталом по апертуре
F (и) =
2
1 + А
А-
•Л»+1 (1 -А)Л2(и)
2
(9)
Для численного анализа величины мощности, принимаемой по областям рассеяния ДН антенны, проведены расчеты ДН F (в) и суммарной нормированной мощности Р (в) по выражениям (3) и (9), соответственно. Результаты расчетов при условии, что А = 0.316 , приведены на рис. 5 (1 - в05 = 6°, 2 - в05 = 20° и 3 - в05 = 40°).
Анализ парных зависимостей ДН и суммарной относительной мощности (рис.5) показывает, что для ситуации с относительно широким главным лепестком ДН первые боковые лепестки уже выходят за пределы полупространства, содержащего главный лепесток ДН. На рис. 5 данная ситуация наблюдается с первым боковым лепестком ДН для антенны с шириной главного лепестка по уровню половинной мощности 40°, а в ДН антенны с шириной главного лепестка 20° аналогичная ситуация со вторым боковым лепестком.
Заключение
Анализ полученных результатов показывает, что наиболее критичными с точки зрения погрешности компенсации фонового излучения в системах пассивной тепловой радиолокации, например, методом диаграммной модуляции, являются антенны с малыми относительными размерами апертуры - небольшие рупорные и волноводные излучатели, в которых первые боковые лепестки ДН выходят за пределы полупространства, содержащего главный лепесток. Поэтому любое изменение направления зондирования приводит к существенному изменению уровня помехового сигнала, обусловленного приемом фонового излучения по области рассеяния ДН антенны.
Приведенная методика и полученные соотношения для оценки относительного уровня принимаемой мощности по области рассеяния ДН позволяют определить ограничения на угловую ширину сектора радиотеплолокационного зондирования при формировании сигнала компенсации.
Литература
1. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. М.: Радио и связь, 1983. 272 с.
2. Федосеева Е.В. Погрешности компенсации фоновых шумов в СВЧ радиотеплолокационных измерениях // Радиопромышленность. 2012. Выпуск 2. С. 105-113.
3. Федосеева Е.В, Шашкова Е.А., Ермаков Р.Л., Ростокин И.Н. Оценка возможности компенсации помеховых компонент сигнала адаптивной РМС // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2001, Вып. 3. С.9 - 11.
4. Федосеева Е.В, Щукин Г.Г. Оценка влияния неточности компенсации фонового шума на погрешность относительных радиотеплолокационных измерений // Научный вестник МГТУ ГА. Выпуск 186. С 58 - 61.
References
1. Yampolskiy V.G., Frolov O.P. Antenny i EMS. М.: Radio i svyaz, 1983. 272 p.
2. Fedoseeva E.V. Radiopromeshlennost, 2012,Vol. 2,pp.105-113.
3. Fedoseeva E.V., ShashkovaE.A, ErmakovR.L, Rostokin I.N. Metody i ystroystva peredachi i obrabotki informatsii. 2001, Vol. 3. pp.9 - 11.
4. Fedoseeva E. V., Shchykin G.G. Naychnyy vestnik MGTU GA. Vol. 186, pp. 58 - 61.
Поступила 18июня 2012 г.
Информация об авторе
Федосеева Елена Валерьевна - кандидат технических наук, доцент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
Адрес: 602264 Муром, ул. Орловская, д. 23.
Fedoseeva Elena Valerievna- candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Address: 602264 Murom, st. Orlovskaya, h. 23.
E-mail: [email protected].
