CC BY
18
УДК 621.396.679.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-364-371
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК С УПРАВЛЯЕМОЙ
ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
В.О. Королев, Р.В. Катюха
Качество функционирования радиотехнических систем (РТС) во многом определяется информацией [1,4-7] получаемой при локации цели. Одним из основных элементов в тракте приема выделяющим сигнал с информацией о цели является антенное устройство в современных условиях часто реализованное в виде фазированной антенной решетки (ФАР) с управляемой поляризацией для реализации канала информационного взаимодействия Земля - Космос - Земля, что делает актуальной задачу выбора элементов ФАР с управляемой поляризацией. В статье рассматриваются типы элементов и даются рекомендации по области их применения при разработке ФАР с управляемой поляризацией. Целью исследования является повышение качества функционирования РТС на основе выбора элементов ФАР с управляемой поляризацией. В ходе исследования проведен анализ основных элементов ФАР с управляемой поляризацией. Показано, что при управлении поляризационными параметрами ФАР с помощью элементов в виде антенн бегущей волны появляется эффект раздвоения фазового центра, приводящего к уменьшению коэффициента усиления антенны. У апертурных элементов с управляемой поляризацией не наблюдается эффекта раздвоения фазового центра, и эти элементы являются наиболее перспективными для ФАР с управляемой поляризацией. Предложена одна из простых схем апертурного элемента с управляемой поляризацией. Результаты анализа могут быть применены на этапе проектирования ФАР с управляемой поляризацией при выборе ее элементов.
Ключевые слова: фазированная антенная решетка, элементы ФАР с управляемой поляризацией.
Введение. При разработке ФАР с управляемой поляризацией возникает задача выбора элемента, удовлетворяющего ряду требований [10] всей решетки. Одним из основных требований является обеспечение в секторе электрического сканирования заданного уровня коэффициента усиления ФАР - G.
При сканировании луча ФАР коэффициент усиления уменьшается в силу ряда причин, в том числе и из-за поляризационных потерь, связанных с зависимостью поляризационных характеристик антенны от геометрии ФАР и от угла сканирования. Для уменьшения потерь в коэффициенте усиления из-за поляризационных характеристик целесообразно применять антенны с управляемыми поляризационными параметрами, причем полное исключение поляризационных потерь может быть в том случае, если имеется возможность управлять всеми поляризационными параметрами раздельно, независимо друг от друга [9]. В настоящей статье рассматриваются различные элементы типы элементов ФАР, которые обеспечивают раздельное управление следующими поляризационными параметрами: p - коэффициентом поляризации; у - углом ориентации эллипса поляризации; Sgn p - знаком поляризации.
Известно, что раздельное управление поляризационными параметрами возможно в том случае, если элементы ФАР излучают волны круговой поляризации разного знака [2].
Поэтому в статье ограничимся рассмотрением тех типов элементов, которые излучают волны круговой поляризации.
Постановка задачи исследования. В настоящее время широкое распространение получили элементы круговой поляризации в виде различных модификаций многовходных спиральных антенн, апер-турных элементов. Управление поляризационными параметрами производится путем изменения отношения амплитуд и разности фаз токов на входах элементов [8-10].
На основе анализа основных параметров ФАР необходимо обосновать целесообразность применения элементов того или иного вида при проектировании антенной системы.
Анализ основных параметров ФАР, использующих элементы с управляемой поляризацией типа спиральных антенн. Поляризационные параметры элементов [3] в целом могут быть вычислены по соотношениям:
р = -1—; у = —; Sgnp = (1 - т+ ), (1)
1 + тТ 2
Е— + + где =_; ф+ = ф- — ф+; Е , ф - амплитуда и фаза поля на входе элемента, излучающего
Е+
лево и право поляризованную волну.
Управление поляризационным параметром у. Элементы в виде многовходных спиральных антенн принципиально могут быть выполнены по двум схемам: 1 типа - по схеме с запитыванием элемента с двух концов (рис.1, а) и 2 типа - по схеме с запитыванием элемента с одного конца (рис.1, б). Сам элемент при этом образован из двух спиральных антенн разного знака поляризации.
364
Существенным недостатком обеих схем является то, что при управлении поляризационными параметрами (запитывании обоих входов элемента одновременно) появляется множитель системы суб-1 2
решетки /^ , учитывающий наличие двух фазовых центров (рис. 2, а, б) и имеющий вид, определяемый выражениями [3]:
/де) =
/ле) =
1 А1е]
I=1
2
I4е
I=1
&дф(/-1)^ е+ф+
£-2(1 -l)sin е+ф+
(2)
(3)
где ё - расстояние между фазовыми центрами элементов при запитывании двух входов (рис. 2);
2 А о л
А1 - амплитуда на 1-м входе элемента А+ (1) = ' 2 А
1 + ш± Л- (2)
1 + ■
ш+
Блок направленных ответвителей
I
3"
о §-
о
к о
5
1+1
1+2
1+3
«-» «+»
1+2
б
Рис. 1. Схемы многовходных спиральных антенн: а -1 типа; б - 2 типа
Появление множителя субрешетки схемы (рис.2, б) очевидно и не требует дополнительного объяснения. Множитель субрешетки схемы (рис.2, а) появляется вследствие того, что спиральная антенна относится к классу антенн бегущих волн, у которых амплитудное распределение имеет экспоненциальную, фазовое - линейную зависимость от координаты направления распространения энергии (рис.3).
Если вычислить эффективную длину антенны при запитывании с одного ¿Э1, а затем с другого ¿Э2 конца, заменить реальную антенну эквивалентной ей с равномерным распределением, то такая антенна будет иметь фазовые центры Ф1 и Ф2 , координаты которых совпадут с серединой эквивалентной антенны, то есть
Lэl■
ф =-
2
Ф2 = ^ -
¿Э1
(4)
(5)
где L - длина антенны.
а
, О /
ф] г
ДФ = Ф, _фг /1
Фг у/ ¿г ДФ ■ созб
У 1 г
то
б
Рис. 2. Графики фазовых соотношений для спиральных антенн Если показатели экспоненты амплитудного распределения с обоих входов антенн одинаковы,
«1 = « 2 и £Э1 = £Э2 = £Э, (6)
откуда ф, = ; Ф2 = £ _ ; и 1 2 2 2
ДФ = Фх -Ф2 =1 - 1Э. (7)
Из соотношения (7) видно, что чем больше отличается амплитудное распределение антенны от равномерного, тем больше удалены фазовые центры двух входной спиральной антенны, и тем существеннее влияние множителя системы субрешетки на коэффициент усиления ФАР в целом.
§ш /г В
ф] Ф2
ДФ
¿Э1 ¿3/2
ДФ = Ф1-Ф2
Ф, =—
Ф- = I —
Рис. 3. Графики зависимости амплитудного и фазового распределения от координаты направления
распространения энергии
Фазовые центры элемента со схемой с запитыванием элемента с одного конца разнесены на расстояние, меньшее или равное 0,5ё. Очевидно, что чем больше разносятся фазовые центры элемента,
1 2
тем существеннее влияние появляющегося множителя системы субрешетки fC и ££.
Для получения сравнительных численных оценок элементов схем первого и второго типов используем эмпирические соотношения и для простоты рассмотрим управление только углом ориентации у
366
а
(параметром ц>+ из выражений 2, 3). Управление коэффициентом поляризации р производится с помощью изменения параметра т+.
1 2
На рис. 4-6 приведены графики зависимости множителей системы /С и /^ от направления наблюдения (угла сканирования диаграммы направленности антенны (ДНА)) О и угла у.
1 2
Анализ графика зависимости углов наблюдения ет и ет (рис.4) от угла у показал, что при
управлении у в диапазоне от 0 до 45° направление главного максимума ДНА ет медленно перемещается от направления, совпадающего с раскрывом ФАР, до совпадения с нормалью к раскрыву антенны. Главный максимум ет при у = 0 совпадает с нормалью к плоскости раскрыва ФАР, и при изменении у он перемещается к направлению, совпадающему с раскрывом ФАР.
Из рассмотрения графиков рис.5 видно, что максимальное значение ДНА ФАР при малом секторе сканирования (9С < 30°) для элементов схемы 1-го типа и управления у в диапазоне от 0 до 45° не превышает уровня 0,6, тогда как для элементов схемы 2-го типа он в большей части не опускается ниже 0,7 (кроме
у=45°, где /С2 = 0.35 ^ 0.7).
- у а 0' ----г ® 30' -----у « 45*
а
_ у * 0; ----г з 30' -----у Ч) 45'
б
1 2
Рис. 5. Графики зависимости множителей системы /С и /£ от угла у
Очевидно, что при малом секторе сканирования (вс < 30°) целесообразно применение элементов схемы 2-го типа.
На рис. 6 приведены графики зависимости множителя системы 1-го и 2-го типов запитывания элементов ФАР от угла у.
а б
Рис. 6. Графики зависимости множителя системы 1-го и 2-го типов запитывания элементов
ФАР от угла у
Анализ указанных графиков показал, что при управлении углом ориентации вектора поляризации в малых пределах (0° < 9С < 30°) значение множителя системы ^ лежит в пределах от 0,35 до 0,96,
2
тогда как значение множителя системы f£ находится на отрезке от 0,9 до 1,0.
На основании проделанного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Элементы ФАР с управляемыми поляризационными параметрами со схемой запитывания с двух концов (схема 1-го типа) целесообразно применять в тех случаях, когда из других технических требований элементы должны располагаться на расстояниях, меньших длины волны X.
2. Элементы со схемой запитывания 2-го типа целесообразно применять при расстояниях между элементами больших длины волны X.
3. Если расстояние между элементами близко к длине волны, то имеется некоторое преимущество элементов со схемой запитывания 2-го типа. Этот вывод доказуем при введении обобщенного понятия коэффициента использования площади (КИП), включающего не только амплитудно-фазовое распределение ФАР, но и радиус эффективного перехвата мощности элементом ФАР типа антенны бегущей волны [5,6].
Численные расчеты показывают, что в случае применения мер по уменьшению взаимной связи элементов ФАР, элементы 2-го типа имеют значительное преимущество перед элементами 1-го типа за-питывания.
4. Для устранения паразитного влияния множителя системы субрешоток необходимо:
- для элементов схемы запитывания 1-го типа приближать значение ДФ к нулю, что возможно только с применением в качестве элементов ФАР плоских многовходных структур;
- для элементов схемы запитывания 2-го типа совместить оси спиральных антенн разного знака, то есть применить спиральные антенны со встречной намоткой.
Анализ основных параметров ФАР, использующих элементы с управляемой поляризацией типа апертурных антенн. В зависимости от создаваемых на своих выходах видов компонент электромагнитного поля возможно выделить две основные схемы апертурных элементов ФАР с управляемой поляризацией: на базе линейных (рис.7, а) и круговых (рис.7, б) компонент поля.
Для раздельного управления поляризационными параметрами необходимы круговые компоненты полей. Поэтому рассмотрим возможные варианты построения преобразователя поляризации -сверхвысокочастотного устройства, преобразующего линейно-поляризованное поле в два круговых разного знака (направления вращения суммарного вектора напряженности поля).
Известны [4-6] апертурные элементы с управляемой поляризацией выполненные на основе управляемого щелевого моста и на основе щелевых антенн, помещенных в рупор. Недостатком обоих решений является невозможность раздельного управления поляризационными параметрами и значительная сложность элементов.
В качестве элемента ФАР с управлением поляризационными параметрами может быть использован несимметричный двойной волноводный тройник, у которого испытательные плечи (плечи 1 и 2) плавно развернуты относительно плеч Н и Е, и относительно друг друга на 90° (рис.8) где 1\ и 12 длины испытательных плеч, а1 и а2 размеры широких стенок плеч 1 и 2 соответственно.
368
а (1-рупор; 2- поляризационный разделитель; 3- фазовращатель; 4 - генератор; 5- делитель мощности)
б (1- рупор; 2- поляризационный разделитель; 3- преобразователь поляризации; 4- фазовращатель; 5- приемник; 6-делитель мощности (сумматор)) Рис. 7. Схемы апертурных элементов ФАР с управляемой поляризацией на базе линейных (а)
и круговых (б) компонент поля
Рис. 8. Общая схема несимметричного двойного волноводного тройника
Несимметрия тройника заключается в том, что испытательные плечи имеют либо разную длину (¡^ ф /2), либо разные широкие стенки волновода (а^ ф а 2). Это приводит к появлению набега фазы
Дф, значения которого можно рассчитать с помощью выражений [2, 3] для следующих вариантов геометрических соотношений Н-Е тройника: 1) а^ Ф а2 и /1 ф /2
Дф =
2%
т
¡1
^2
1 -
2а1
- ¡2 •, 1 -
X
2а2
(8)
2) а1 Ф а2 и /1 = /2 = /
Дф =
3) а1 = а2 и ¡1 ф ¡2
2%/
2
1-
X 2а1
-„ 1 -
X
2а2
(9)
2%•,1 -
Дф = -
2а1
-(¡1 - ¡2 >
X
Для получения круговой поляризации достаточно положить Дф = %, при
2
(10)
этом если запитать
тройник через Н - плечо, то получим волну круговой поляризации одного знака (направления вращения вектора напряженности поля Е), а при запитывании через другое плечо Е - противоположного знака. Таким образом, запитав несимметричный тройник с двух входов и изменяя отношение амплитуд и разность фаз, питающих оба плеча (Е и Н) полей, можно раздельно управлять каждым из поляризационных параметров.
2
2
Заключение. Рассмотренные элементы ФАР с управляемой поляризацией, являющиеся антеннами двух типов: элементы типа антенны бегущей волны, в частности спиральные антенны, и апертур-ные антенны.
Показано, что при управлении поляризационными параметрами ФАР с помощью элементов в виде антенн бегущей волны появляется эффект раздвоения фазового центра, приводящий к уменьшению усиления антенны в целом.
Отмечено, что элементы типа антенн бегущей волны при расстояниях между элементами близкой к длине волны X и более целесообразно использовать в схемах запитывания антенны с одного конца. Наилучший эффект следует ожидать, если применять антенны со встречной намоткой.
Элементы типа антенн бегущей волны со схемой запитывания с разных концов антенны целесообразно использовать при малых расстояниях между элементами и в том случае, когда эффект раздвоения фазового центра сведен до минимума (например, плоские спиральные антенны).
У апертурных элементов с управляемой поляризацией не наблюдается эффекта раздвоения фазового центра, и эти элементы являются более подходящими для ФАР с управляемой поляризацией. В качестве элемента ФАР с управлением поляризационными параметрами может быть использован несимметричный двойной волноводный тройник.
Результаты анализа могут быть применены на этапе проектирования ФАР с управляемой поляризацией при выборе ее элементов.
Список литературы
1. Распознавание класса объекта на основе анализа отражательных характеристик / В.Д. Лифе-ренко, В.О. Королев, В.Н. Алдохина, // Журнал «Радиотехника», т. 86, № 4 М.:ООО "Издательство "Радиотехника", 2022. С. 110-117.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: учеб. для радиотехнич. спец. вузов. М.: Высш. шк, 1988. 432с.
3. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1981. 280 с.
4. Козлов А.И., Логвинов А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Книга 2. Радиолокационная поляриметрия. Радиотехника, 2007.
5. Татаринов В.Н., Татаринов С.В, Лигтхарт Л.П. Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов (Том 1. Поляризация плоских электромагнитных волн и её преобразования). Томск: Изд. Томского университета, 2012. 380 с.
6. Прудников С.Я., Титов А.А. Патент RU 2245561 Устройство распознавания случайных сигналов 2003.06.26.
7. Сарычев. В.А. Сложные сигналы произвольной поляризационной и временной структуры и их использование в электросвязи. «Электросвязь», №7, 2003.
8. Королев В.О., Логунов С.В., Черногубов А.В., Гель В.Э., Фаттахов Р.Р. Методика распознавания типов искусственных спутников земли по данным радиотехнических комплексов и радиолокационных станций Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2021. № 1. С. 25-36.
9. Гудаев Р.А., Королев В.О., Рогов Д.А., Катюха Р.В., Логунов С.В., Алдохина В.Н. Способ радиотехнического распознавания излучающих объектов в воздушно-космическом пространстве и устройство для его реализации. Патент на изобретение RU 2641482 C2, 17.01.2018. Заявка № 2016123615 от 14.06.2016.
10. Королев В.О., Гудаев Р.А., Сидоров В.А. Методика оценивания возможности применения активной фазированной антенной решетки в радиолокационных станциях специального назначения. Компоненты и технологии. 2015. № 10 (171). С. 144-145.
Королев Вадим Олегович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Катюха Роман Васильевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
SELECTION of ELEMENTS of PHASED ANTENNA ARRAYS WITH CONTROLLED POLARIZA TION
V.O. Korolev, R.V. Katyukha
The quality of functioning of radiotechnyc systems (RTS) is largely determined by the information [1,4-7] obtained at the location of the target. One of the main elements in the reception path that allocates a signal with information about the target is an antenna device in modern conditions, often implemented in the form of a phased array antenna (HEADLIGHT) with controlled polarization for the implementation of the channel of information interaction Earth - Space - Earth, which makes the task of choosing headlight elements with controlled polarization. The article discusses the types of elements and provides recommendations on the scope
370
of their application in the development of headlamps with controlled polarization. The aim of the study is to improve the quality ofRTS functioning based on the selection of controlled polarization headlight elements. In the course of the study, the analysis of the main elements of controlled polarization headlamps was carried out. It is shown that when controlling the polarization parameters of the headlights using elements in the form of traveling wave antennas, the effect of a split phase center appears, leading to a decrease in the antenna gain. Aperture elements with controlled polarization do not have the effect of splitting the phase center, and these elements are the most promising for headlights with controlled polarization. One of the simple schemes of an aperture element with controlled polarization is proposed. The results of the analysis can be applied at the design stage of headlights with controlled polarization when selecting its elements.
Key words: phased array antenna, controlled polarization headlight elements.
Korolev Vadim Olegovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Katyukha Roman Vasilyevich, candidate of technical sciences, senior lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 621.396
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-371-377
ПРОЦЕДУРЫ ВСКРЫТИЯ МАСКИРУЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ НА ОБЪЕКТАХ
РАДИОМОНИТОРИНГА
Н.П. Удальцов, П.А. Агеев, А. В. Селезнев
В статье рассматриваются основные процедуры вскрытия маскирующих мероприятий (воздействий), применяемых на объектах радиомониторинга.
Ключевые слова: маскировка, радиомониторинг, проявляемость, район сбора информации, геоинформационная система, цифровая модель местности, физико-географические условия, природно-климатические факторы.
Маскировка (фр. masquer - делать незаметным, невидимым для кого-либо) - вид обеспечения боевых действий и повседневной деятельности войск, комплекс мероприятий, направленных на введение противника в заблуждение.
Маскировка способствует достижению внезапности действий войск, сохранению их боеготовности и повышению живучести объектов [1].
Мероприятия по маскировке объектов затрудняют их обнаружение и вскрытие средствами мониторинга. Поэтому актуальной задачей является изыскание возможностей по вскрытию мероприятий по маскировке, проведенных на этих объектах.
Способ вскрытия маскирующих мероприятий, проводимых в отношении объектов радиомониторинга (РМ), отражает порядок совместной реализации основных процессов в интересах комплексной обработки информации, который формально представляется в виде двух этапов: первый этап моделирование потенциальной проявляемости объектов РМ, который проводится заранее в подсистеме обработки информации при организации мониторинга; второй этап - непосредственное вскрытие маскирующих мероприятий на объектах РМ проводится в реальном масштабе времени по полученным данным от средств мониторинга [2-9].
Алгоритм, реализующий указанный способ (процедуры), раскрывает последовательность действий по вскрытию проводимых мероприятий по маскировке объектов РМ (рис. 1).
На первом этапе алгоритма происходит ввод исходных данных:
район сбора информации (РСИ) 5Рси, его отображение на фоне электронных карт геоинформационных систем (ГИС);
отображение цифровой модели местности (ЦММ) соответствующего РСИ с учетом тактических свойств местности (ТСМ), основных факторов проявляемости для различных типов объектов РМ -топология размещения на местности (занятие определенной области, ее конфигурация) 5ОрМ;
зависимость выбора района размещения объекта от условий местности 2ОРМ;
взаимосвязанность района размещения объекта с районами размещения других объектов Ур-н
излучение энергии (проявляемость) в различных физических полях (средах) 1zE;
371
