ГлавнаяКарта сайтаНапишите намПоиск по сайту
EDS-Soft
ElectroDynamic Systems Software ScientificTM
Radiolocation Systems ResearchTM



Antenna Array


Коэффициент бегущей волны (КБВ)

Отношение наименьшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наибольшему.

(из «Словаря терминов» нашего сайта)






Владимир Васильевич Корышев, ведущий научный сотрудник Калужского НИИ, кандидат технических наук.


Виктор Иванович Чулков, ведущий научный сотрудник Калужского НИИ.
Является автором и руководителем проекта “EDS–Soft” (с 2002 года).
Постранично

Численный анализ уровня развязки между передающей и приемной широкополосными антенными решетками с учетом диаграммо-образующих устройств



Опубликовано: 25.03.2008
© В. В. Корышев, В. И. Чулков, 1996. Все права защищены.
© EDS–Soft, 2008. Все права защищены.


В условиях высокой насыщенности современных радиосистем антеннами различного назначения большая роль отводится увеличению развязки между антенными решетками (АР), расположенными в ограниченном объеме, в секторе углов до ±600 в главных плоскостях и полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее двух. При этом необходимая величина развязки между выходом приемной АР и входом передающей АР может достигать -100...-130 дБ.

Анализируя величину связи между АР, обычно рассматривают следующую схему построения [1] (см. рисунок): L активных излучателей плоской двумерно-периодической решетки подключают к выходам первого диаграммо-образующего устройства (ДОУ1) излучающей подрешетки, М излучателей подсоединяют к некоторому пассивному устройству (например, нагружают на согласованные сопротивления) развязывающей подрешетки, а N пассивных излучателей подключены к выходам второго диаграммо-образующего устройства (ДОУ2) приемной подрешетки. Основное внимание при этом уделяется выбору матриц рассеяния S2 и S22 при фиксированных характеристиках ДОУ1, ДОУ2 активных и пассивных подрешеток [1…3], а влияние характеристик ДОУ1, ДОУ2 и величины взаимной связи между излучателями излучающей и приемной подрешеток рассматривается в меньшей степени.

Рисунок. Структура антенной системы.

Для частных видов амплитудно-фазовых распределений (АФР) на выходах ДОУ1 и ДОУ2 в статье приводятся результаты расчета величин развязок, которые можно получить, если в качестве единого приемопередающего полотна использовать широкополосную микрополосковую антенную решетку (ШМАР), рассмотренную в работе [4]. Будем считать, что оба ДОУ являются развязанными и согласованными со стороны выходов, а развязывающая подрешетка отсутствует (M = 0). Тогда выражение для коэффициента связи можно записать в виде [1]:

(1)

где Y12 — матрица размерности 1xN комплексных коэффициентов передачи с выходов ДОУ2 на ее вход; X21 — матрица размерности Lx1 комплексных коэффициентов передачи со входа ДОУ1 на ее выходы; C31 — теплицева матрица коэффициентов взаимной связи между излучателями активной и пассивной подрешеток.

Будем считать также, что подрешетки находятся в составе бесконечной плоской АР и все фидерные линии имеют одинаковые волновые сопротивления. При отсутствии потерь в ДОУ они могут быть описаны унитарными матрицами рассеяния с нулевыми членами на главной диагонали. Пусть ДОУ создают на своих выходах АФР, которые в общем случае могут быть описаны комплекснозначными функциями , i=1,2. Индексы i=1,2 соответствуют ДОУ1 и ДОУ2.

Для активной подрешетки при единичной амплитуде волны основного типа на входе, на выходах ДОУ1 будем иметь следующие амплитуды волн того же типа:

(2)

При этом амплитуды волн в излучателях пассивной подрешетки будут равны:

(3)

где Cpt — коэффициент взаимной связи между излучателями бесконечной АР, а амплитуда волны на входе ДОУ2

(4)

Тогда выражение (1) с учетом (2), (3), (4) можно записать в виде:

где член P1 связан со взаимодействием излучателей бесконечной АР, а член P2 определяется только амплитудным распределением на выходах ДОУ и не зависит от фазового распределения, типа излучателей и их местоположения в решетке.

Перепишем выражение для P1 с учетом связи коэффициентов Cst и коэффициента отражения , определяемого при равноамплитудном возбуждении бесконечной АР с линейным фазовым набегом:

(5)

где * — знак комплексного сопряжения,

(6)

, — дифференциальные фазовые сдвиги вдоль осей OX и OY. Функции f1 и f2 представляют собой множители подрешеток и для физически реализуемых АФР принимают по модулю только конечные значения.

На основании анализа выражения (5) можно сформулировать следующие принципы построения АР и ДОУ для широкополосного увеличения развязки, связанной со взаимодействием излучателей (при условии, что рабочие области подрешеток находятся в области видимых углов):

— в области видимых углов и в заданной полосе частот коэффициент отражения Г излучателя бесконечной решетки должен принимать по модулю наименьшие значения (в пределе − нулевые для всех ):

— ДОУ1 и ДОУ2 должны создавать на своих выходах такие АФР, при которых "основной луч" функций f1, f2 был бы максимально узким, а в области невидимых углов (где при отсутствии дифракционных максимумов высших порядков всегда |Г| = 1) "боковые лепестки" имели бы по модулю наименьшие значения (в пределе — нулевые для всех ):

  при  

Для реализации первого принципа в качестве АР не подходят традиционные варианты с использованием волноводных, вибраторных, резонансных микрополосковых и других частотно–зависимых излучателей, так как при этом не обеспечивается требуемое поведение Г в области в широкой полосе частот (октава и более) и широком секторе углов (до ±600).

Рассмотрим ШМАР, описанную в работе [4]. Она представляет собой решетку из узких ленточных излучателей длиной , расположенных вдоль оси OX на слое магнитодиэлектрика толщиной с проницаемостями . Здесь Tx, Ty — периоды АР вдоль осей ОХ и OY. Входное сопротивление такого излучателя в области действительных углов и ближайшей к ней области невидимых углов может быть записано в виде [4]:

где W=120π, а коэффициент отражения — в виде:

где , . Углы , определяют направление, в котором согласованы излучатели ШМАР.

Реализация второго принципа приводит к решению задачи синтеза физически реализуемого АФР при условии максимально возможного уровня КНД обеих подрешеток [5].

В качестве примера рассмотрим следующие амплитудные распределения на выходах ДОУ [6]:

Таблица 1
Распределение n КИП УБЛ, дБ
0 1.000 -13.3
2 0.660 -31.5
1.7 0.930 -20.8
2.4 0.808 -32.1
3.2 0.650 -47.5

При равноамплитудном распределении величина P2 принимает минимальное значение:

Таблица 2
n = 0 n = 2
-600 -39.16 -82.42
-450 -41.40 -89.94
-300 -42.47 -100.73
-150 -43.83 -95.99
00 -45.22 -98.60
150 -45.10 -78.01
300 -47.51 -71.42
450 -47.18 -54.30
600 -61.76 -38.69

В табл. 2 приведены рассчитанные на ЭВМ по формулам (5) и (6) уровни развязок между активной и пассивной подрешетками размером 5λx5&lambda каждая (периоды решеток Tx=Ty=0.14λ) для углов фазирования активной подрешетки =–600 в E-плоскости (φ=00) для ленточных излучателей на слое магнитодиэлектрика. Излучатели согласованы в направлении , . Как показали расчеты, характер амплитудного распределения в Н-плоскости (φ=900) практически не влияет на величину связи в Е-плоскости. Поэтому всюду для H-плоскости принято равноамплитудное распределение в обеих подрешетках.

Таблица 3
n = 0 n = 2
-600 -45.67 -116.81
-450 -47.68 -136.99
-300 -48.36 -129.87
-150 -49.46 -119.67
00 -48.80 -128.29
150 -48.76 -110.03
300 -47.35 -119.94
450 -46.29 -102.52
600 -46.24 -66.33
Таблица 4
n = 0 n = 2
-600 -58.32 -143.84
-450 -56.69 -151.57
-300 -54.50 -157.75
-150 -53.67 -161.07
00 -52.18 -153.89
150 -51.00 -143.92
300 -49.68 -145.81
450 -48.16 -133.62
600 -46.67 -117.86

В табл. 3 приведены результаты расчетов уровня развязки для подрешеток размером 10λx10λ, а в табл. 4 — для подрешеток размером 20λx20λ.

Поскольку для амплитудных распределений в общем случае необходимо численно вычислять суммы (6), что связано с большими затратами машинного времени, в статье была использована формула суммирования Эйлера-Маклорена [7]. При этом количество членов ряда N0 в выражении для интеграла вероятностей от комплексного аргумента [8], к которому приводит формула Эйлера-Маклорена, практически не зависит от количества излучателей в подрешетках и существенно меньше суммы, рассчитанной по формуле (6), особенно при большом числе излучателей.

Таблица 5
n = 1.7 n = 2 n = 3.2
-600 -57.53 -59.03 -68.96
-450 -55.85 -65.56 -78.82
-300 -57.59 -69.44 -92.46
-150 -54.31 -65.43 -84.38
00 -58.32 -72.47 -91.08
150 -56.18 -66.87 -83.58
300 -50.78 -55.36 -77.13
450 -38.67 -48.22 -52.62
600 -37.02 -56.48 -45.97
Таблица 6
n = 1.7 n = 2 n = 3.2
-600 -75.51 -82.33 -92.73
-450 -68.75 -80.16 -100.62
-300 -67.18 -80.62 -99.35
-150 -65.75 -77.87 -100.34
00 -66.20 -76.76 -93.09
150 -65.86 -77.60 -99.23
300 -67.47 -78.16 -94.68
450 -53.38 -58.03 -76.72
600 -40.86 -54.36 -68.34
Таблица 7
n = 1.7 n = 2 n = 3.2
-600 -94.83 -103.26 -131.86
-450 -73.47 -87.84 -110.29
-300 -62.29 -87.31 -109.99
-150 -72.96 -86.29 -108.66
00 -72.10 -86.34 -108.95
150 -73.64 -86.61 -109.05
300 -75.46 -87.73 -109.75
450 -77.72 -85.78 -96.26
600 -46.96 -59.29 -85.42

Уровни развязок при АФР вида для расположенных рядом активной и пассивной подрешеток различных размеров приведены в табл. 5…7 (для подрешеток размером 5λx5λ, 10λx10λ, 20λx20λ соответственно, для углов фазирования активной подрешетки =–600). При этом число членов ряда N0 во всех случаях не превышало 15, а среднее время расчета одного значения уровня развязки для 93x93 точек численного интегрирования по , составило примерно 15 мин на IBM РС-АТ-80286/287.

Из приведенных в статье результатов можно сделать следующие выводы:

— уровень развязки для ШМАР при амплитудных распределениях (КИП=0.66, УБЛ=–31.5 дБ) больше, чем для амплитудных распределений (КИП=0.808, УБЛ=–32.1 дБ). Это связано со снижением КНД во втором случае за счет более медленного уменьшения УШ при удалении от основного лепестка;

— уровень развязки в обоих случаях уменьшается при , что обусловлено взаимодействием между излучателями в невидимой части пространства дифференциальных фазовых сдвигов, возрастающем по мере приближения видимого луча диаграммы к границе видимой и невидимой областей;

— для амплитудных распределений вида при применении ШМАР уровень развязки не менее 100 дБ в секторе углов ±600 в Е-плоскости может быть получен только при и подрешеток размерами не менее 10λx10λ. При этом КИП каждой подрешетки не превышает 0.66.


Постранично

Использованная литература

1. Агафуров И.Н., Лаврушев В.И., Седельников Ю.Е. Использование пассивных излучателей в задачах повышения развязки антенн.− Казань: КАИ, 1985. - Деп. в ВИНИТИ, №3495-85.
2. Лаврушев В. И., Седельников Ю.Е. Построение антенн с учетом требований развязки // Радиоэлектроника, - 1980, т. ХXIII, №2, с.31…38 (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Кюркчан А. Г. Связь между антеннами в присутствии ребристых структур // Радиотехника и электроника. – 1977, т. ХХII, №7, с.1362…1373.
4. Чулков В. И. О широкополосности плоских антенных решеток микрополосковых излучателей // Вторая Всесоюзная научно-техническая конференция "Устройства и методы прикладной электродинамики" (9-13 сент. 1991 г., Одесса): Тезисы докладов. – М.: МАИ, 1991. – с.148.
5. Чаплин А. Ф. Анализ и синтез антенных решеток. – Львов: Вища школа, 1987. – 179 с.
6. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям / Пер. с англ.; Под ред. М. М. Вейсбейна. – М.: Сов. радио, 1976. – 392 с.
7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Пер. с англ.; Под ред. И. Г. Арамановича. – М.: Наука, 1968. – 720 с.
8. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абрамовича и И. Стиган /Пер. с англ. под ред. В. А. Диткина и Л. Н. Кармазиной. – М.: Наука, 1979. – 830 с.

Статьи за 2008 год

Все статьи

GuidesArray Coaxial 0.1.2

GuidesArray Coaxial™ используется инженерами для проектирования и исследования характеристик плоских периодических фазированных антенных решеток коаксиальных волноводов.


Подписка



Изменение параметров подписки


 




 
 
EDS-Soft

© 2002-2022 | EDS-Soft
Контакты | Правовая информация | Поиск | Карта сайта

© дизайн сайта | Андрей Азаров