Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 69

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

Игдалов ИМ, Левченко A.B., Gвcяникова T.B. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШОРДИНАТ MECTGПGЛGЖEHИЯ НАЗУЛИ II>IX ПGДBИЖHЫX GБЪEKTGB.................................................349

Бондарук А. Б., Євтушенко K. C., Kононeнко B. О., Оліярник Б. О. АЛГОРИТМ KGMПЛEKCУBAHHЯ HABIГAЦIЙHGЇ IHФGPMAЦIЇ IHTEГPGBAHGЇ CroCTEMM HABIГAЦIЇ БGЙGBGЇ MAШИHИ.......................................................................................................351

Ильницкая СИ., Ошеглазов B.M., Тимошок C.B. MHGГGФУHKЦИGHAЛЬHЫЙ

ИНДШСАТОР ЭЛEKTPGHHЫX HABИГAЦИGHHЫX KAPT.........................................................354

Полюга B.П., Поcпeлов Б.Б., Ошак B.M. ПРИНЦИП ПGCTPGEHИЯ BЫCGKGTGЧHGЙ ABTGMATИЗИPGBAHHGЙ CИCTEMЫ ЛЕТНОГО KGHTPGЛЯ PAДИGMAЯЧHЫX CroCTEM ИHCTPУMEHTAЛЬHGГG ЗAXGДA НА ПGCAДKУ И GБCЛУЖИBAHИЯ BGЗДУШHGГG ДBИЖEHИЯ..............................................................................................................358

Желанов А.А., Шелковенков Д.А., Жалило А.А, Шокало B.M., Флерко C.H., Черевко B.C. ТОЧНОСТНЫЕ XAPAKTEPИCTИKИ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЖИ/ІА ТОЧНОГО ПGЗИЦИGHИPGBAHИЯ РРР B ПPGГPAMMHGM KGMПЛEKCE

«GRAFNAV/GRAFNETTM». ПPEДBAPИTEЛЬHЫE РЕЗУЛЬТАТЫ.............................................Зб2

AЛФABИTHЫЙ CПИCGK ABTGPGB ДGKЛAДGB.........................................................................Збб

CPPCH'2008

I . 1 - 3 7 3

MD^'2008

3-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития»

(МРФ'2008)

Том I

МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОЛОКАЦИИ, РАДИОАСТРОНОМИИ И СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ»

(СРРСН-2008) Часть 1

Ответственные за выпуск

Рябуха В.П. Булавина Е.С.

Материалы сборника публикуются в авторском варианте без редактирования

Подписано к печати 29.09.2008. Формат 60 х 84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 43,5. Тираж 250 экз. Цена договорная. Зак.

3-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ'2008)

3nd International Radio Electronic Forum (IREF'2008) PROCEEDINGS

Том I

МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОЛОКАЦИИ, РАДИОАСТРОНОМИИ И СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ»

(СРРСН-2008) Часть 2

Volume I INTERNATIONAL CONFERENCE «MODERN AND PERSPECTIVE RADAR, RADIO ASTRONOMICAL AND SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS»

(SRRSN-2008)

Part 2

3-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектро­ника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008. Сборник научных трудов. Том. I. Международная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации». Ч. 2. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. 2008. - 272 с.

В сборник включены научные доклады участников Международной конфе­ренции «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации» (СРРСН) 3-го Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008.

Издание подготовлено инновационно-маркетинговым отделом Харьковского национального университета радиоэлектроники и редакцией журнала «Прикладная радиоэлектроника»

61166, Украина, Харьков, просп. Ленина, 14. Тел.: (057) 7021-397, 7021-515, 7021-735 Факс: (057) 7021-113 E-mail: innov@kture.kharkov.ua akad@kture.kharkov.ua

О    Академия наук прикладной радиоэлектроники,

2GG8

©    Харьковский национальный

университет радиоэлектроники,

2008

Секция № 3

ТЕОРИЯ И ТЕХНИКА АНТЕНН В ЗАДАЧАХ ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ (ИНФОРМАЦИИ)

И ЭНЕРГИИ

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 3

СРРСН'2008 I-ч. 2 - 4 СШП АНТЕННЫ. ДОСТИЖЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Почанин Г.П.

Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова Национальной академии наук Украины, 61085, Харьков, ул. Акад. Проскуры, 12, Тел. (057)-7203470 E-mail: gpp@ire.kharkov.ua Peculiar properties of the antennas designed for radiation and reception of ultrawideband (UWB) impulse electromagnetic fields are discussed. Basic patterns of relationship going with UWB pulse radiation are shown. Modern approaches to the UWB antennas development and analysis are considered.

Самые первые антенные системы, предназначенные для излучения и приема элек­тромагнитных волн, возбуждались импульсами напряжения (тока), формируемыми при электрических разрядах. В современной терминологии это сверхширокополосные сигна-

f f

лы. В соответствии с определением [1] их относительная полоса частот rj = и- , где

+ fL

и / - верхняя и нижняя частоты в спектре сигнала соответственно, обычно сущест­венно превосходила принятый сегодня критерий сверхширокополосности п > 0,2.

Стремясь улучшить энергетические характеристики канала передачи - приема, уче­ные и инженеры интуитивно создавали условия для более эффективного излучения и бо­лее чувствительного приема путем выбора соответствующих конструкции и формы излу­чателя и приемной антенны, обеспечивающих как можно более широкую полосу рабочих частот. В это время был разработан ряд конструкций антенн, которые впоследствии стали прообразом для современных СШП антенных систем [2]. Впоследствии оказалось, что энергетически более выгодно использовать электромагнитные волны, имеющие синусои­дальную временную зависимость, и вплоть до конца 80-х - начала 90-х годов ХХ века специалистов в области прикладной электродинамики интересовали практически исклю­чительно синусоидальные волны и узкополосные (УП) системы.

Взрыв интереса к СШП импульсным полям приходится на начало 90-х годов. Его обусловил целый ряд причин. С одной стороны, современные технологии дали возмож­ность генерировать мощные импульсы короткой длительности с высокой стабильностью формы и момента появления, а также - регистрировать сигналы короткой длительности и хранить их в цифровом виде. С другой стороны, повышенные требования к скорости пе­редачи информации в каналах связи, а также к точности радиолокационных систем (вплоть до получения некоординатной информации о цели) могли быть удовлетворены при использовании СШП сигналов. Наиболее сложными проблемами на пути создания СШП радиосистем оказались эффективные и неискажающие форму сигнала излучение и прием - т. е. разработка СШП антенных систем.

Поскольку речь шла о нестационарных полях (полях, которые существуют ограни­ченный, обычно очень короткий промежуток времени и изменяются во времени по зако­нам, отличным от гармонического - синусоидального), пришлось осваивать новые мето­ды конструирования и анализа, адекватные таким антеннам. Оказалось даже, что набора параметров, характеризующих привычные узкополосные антенны, совершенно недоста­точно, чтобы описать СШП антенны. В результате появились диаграммы направленности по пиковой амплитуде, мощности, энергетическая и т. д., которые в данном случае отли­чаются одна от другой и характеризуют определенные свойства антенны (в узкополосном случае это одни и те же диаграммы). Сопротивление излучения СШП антенны - это уже нестационарная величина, имеющая определенную временную зависимость. О том, как измерить КПД СШП антенны до сих пор нет единого мнения.

Следует отметить, что и при возбуждении узкополосных антенн в начале и в конце времени воздействия возбуждающего сигнала имеют место переходные процессы и не­стационарные поля, однако в узкополосной антенной технике эти интервалы установле­

СРРСН'2008

I . 2 - ия полей обычно не рассматривались. В СШП антенной технике именно эти интервалы представляют интерес и являются предметом исследования.

Существует ряд подходов к анализу СШП антенн. Например, в работе [2] СШП ан­тенна рассматривается с четырех позиций: 1 - антенна в качестве преобразователя, 2 -антенна в качестве трансформатора, 3 - антенна в качестве излучателя, 4 - антенна в ка­честве преобразователя энергии. Каждый из этих подходов концентрируется на исследо­вании вполне определенного набора характеристик. Например, в позиции 1 антенна - это черный ящик с набором электрических параметров, в 2 - антенна - это преобразователь волнового сопротивления, в 3 - исследуется поведение токов и их связь с полями, фор­мируемыми антенной, в 4 - интерес представляют потоки энергии через антенну. Каждый из этих подходов направлен на оптимизацию определенных свойств антенны.

Современные достижения в области вычислительной техники позволили поставить на вооружение исследователей такой мощный инструмент, как метод конечных разностей во временной области (Finite Difference Time Domain - FDTD) [3]. Этот метод отличает универсальность, возможность анализировать электродинамические структуры любой геометрии и с любыми электрическими параметрами. Огромный интерес для исследова­теля представляют результаты, получаемые в рамках FDTD метода, поскольку именно он дает возможность наблюдать за развитием электродинамических процессов во времени и наглядно показывает какие из геометрических и электрических параметров и в какой сте­пени определяют параметры излученного поля.

Очень важными с точки зрения исследования процесса излучения электромагнит­ных полей являются эксперименты с такими каноническими излучателями, как штырь, ТЕМ - рупор, диполь, и другие. В докладе приводятся результаты экспериментов, иллю­стрирующих закономерности процесса излучения при импульсном возбуждении антенн. На основании таких экспериментов становится понятным как повысить эффективность излучения, сконцентрировать излучение СШП антенны в определенном направлении. Эксперименты с простейшими двухэлементными антенными решетками показали, как можно изменять диаграмму направленности антенны. Кроме того, на примере решетки антенн большого тока Хармута [1] показано, что определенные конфигурации решеток позволяют значительно увеличить эффективность излучения СШП антенны, используя для этого сильную связь между элементами решетки [4]. На примере антенн большого тока также экспериментально показано, что существует возможность излучать импульс­ные сигналы различной длительности одной и той же антенной [5].

В отличие от узкополосных сигналов, при возбуждении антенны СШП импульсами можно наблюдать трансформацию временной зависимости поля [6], связанную с перехо­дом из ближней зоны в дальнюю, что очень важно для систем ближнего радиуса дейст­вия. Результаты экспериментов также приведены в докладе.

Следует отметить еще одну особенность СШП антенн, излучающих короткие им­пульсные сигналы. Если не предпринимать специальных мер, то диаграммы направлен­ности антенны по пиковой амплитуде и энергетическая не имеют нигде провалов до нуля. Нет в них также выраженных боковых лепестков.

Представления о физических процессах, происходящих в излучателе несинусоидаль­ных электромагнитных волн, позволяют выделить свойства, характерные для определенно­го набора антенн, и предложить вариант их классификации. В качестве признака, опреде­ляющего принадлежность антенны к тому или иному классу, выберем соотношение между пространственной длительностью импульса и физическими размерами антенны.

Антенны малых относительных размеров отнесем к классу элементарных антенн. Для них свойственно практически одновременное установление тока по всем токоведу-щим элементам. Следствием этого являются минимум послеимпульсных колебаний в из­лученном (принятом) импульсе. Но из-за того, что у этих антенн области интенсивного излучения расположены близко друг к другу, поля, излученные этими областями в даль­нюю зону, в значительной мере взаимно компенсируются, а напряженность излученного поля оказывается малой. Поэтому элементарные антенны малоэффективны как излучате­

СРРСН'2008

I . 2 - и. Диаграммы направленности элементарных СШП импульсных антенн по пиковой ам­плитуде широки.

Характерным для "квазирезонансных" антенн является соизмеримость длительно­сти возбуждающего импульса с периодом резонансного колебания в антенне. Это создает условия для возникновения колебаний при возбуждении антенны. При этом форма излу­ченного (принятого) импульса искажается, приобретая форму затухающего колебания. Однако, несмотря на это, квазирезонансные антенны, ввиду их компактности, находят широкое применение в радиолокаторах подповерхностного зондирования, системах свя­зи. В этих антеннах предпринимаются специальные меры по снижению их добротности путем введения в конструкцию распределенных или сосредоточенных нагрузок.

К антеннам бегущей волны относятся некоторые модификации щелевых антенн (антенны Вивальди, "заячьи уши" и др.), TEM - рупоры, логопериодические антенны, спиральные антенны, и др. Благодаря большим размерам, антенны бегущей волны фор­мируют направленное излучение и обеспечивают направленный прием. Большие размеры позволяет обеспечить достаточно хорошее согласование антенны с подключаемыми к ней устройствами. В результате эффективность излучения таких антенн может достигать больших величин. Следует отметить, что для антенн бегущей волны в большей степени характерно минимизация искажений формы сигналов при излучении или приеме.

Несмотря на то, что пиковые мощности сигналов, возбуждающих СШП антенны достигают единиц - десятков киловатт (иногда доходя до нескольких гигаватт), из-за ма­лой длительности процесса излучения таких сигналов энергии, заключенные в них, неве­лики. Существенно менее мощные узкополосные сигналы излучаются значительно боль­шее время, перенося в итоге больше энергии, что способствует увеличению дальности канала передачи. В процессе приема узкополосного сигнала принимаемая энергия всех периодов суммируется в колебательном контуре приемной системы. В результате в ходе приема амплитуда сигнала растет, а амплитуда шумов, поступивших на вход приемника, снижается. Для приема СШП сигналов обычно используют стробоскопический преобра­зователь, который позволяет измерять временные параметры импульсов нано и пикосе-кундной длительности. Но при таком преобразовании теряется существенная часть энер­гии сигнала. Шумы при этом не уменьшаются. Такое различие в принципах передачи и приема УП и СШП сигналов обусловило тот факт, что СШП системы - это системы, как правило, ближнего радиуса действия: канал передачи данных "последняя миля", радио­локационное зондирование грунта, медицинские локаторы, локаторы обнаружения объ­ектов за оптически непрозрачными преградами, и т.д.

Один из путей преодоления проблемы повышения энергетических характеристик СШП систем, предложенный в работе [7], представляет собой использование резонанс­ных излучателей и селективных приемников периодических волн. В обоих случаях суть предложения состоит в том, чтобы при помощи линий задержки и усилительных элемен­тов добиться того, чтобы каждый очередной сигнал из периодической последовательно­сти СШП импульсов, попадая в область возбуждения антенны, оказывался синхронным и синфазным с предыдущими сигналами. В этом случае возможно суммирование энергии принятых импульсов и излучение практически всей подводимой к излучающей антенне энергии так же, как и в резонансном колебательном контуре и резонансной антенне. К сожалению, несмотря на высокий потенциал, эта идея до сих пор не реализована на прак­тике.

В настоящее время известно множество публикаций в области разработки и иссле­дования СШП антенн. Их число исчисляется тысячами. Если раньше в большей степени интересовались радиолокационными приложениями СШП сигналов, и публикации со­держали описания рупорных конструкций, антенн Bow-tie, зеркальных антенн - антенн бегущей волны и квазирезонансных, то в последние годы интерес сместился в область СШП антенн для систем мобильной связи, которые в большей степени относятся к эле­ментарным и квазирезонансным антеннам. В докладе содержится ряд примеров СШП антенн различного назначения с их описанием и характеристиками.

СРРСН'2008

I . 2 - 7

Тот факт, что излученный антенной сигнал имеет длительность, сопоставимую с характерным временем изменения напряженности излученного электромагнитного поля дает возможность формировать в пространстве поля с требуемой временной зависимо­стью. Например, в работе [8] показано, что излучая последовательно во времени ряд ко­ротких импульсов, можно получить суммарный импульс поля увеличенной длительно­сти. Этим достигается с одной стороны большая эффективность излучения (характерная для коротких импульсов) и повышенная проникающая способность в проводящие среды (характерная для импульсов большой длительности). С другой стороны, синхронизируя ряд излучателей определенным образом, можно формировать повышенную напряжен­ность поля в определенной локализованной области пространства. При этом в остальном пространстве напряженность поля может оставаться невысокой.

Интересным является и тот факт, что сигналы, излученные несколькими излучате­лями могут формировать совокупный сигнал, спектр которого существенно отличается от спектров каждого из одиночных сигналов. Трансформации спектров происходят как во времени, так и в пространстве. Эта особенность характерна только для СШП сигналов и открывает новые возможности для систем локации и связи. Одним из примеров примене­ния этого свойства является приемо-передающая антенная система с полной частотно-независимой развязкой между передающим и приемным модулями [9], обладающая до­полнительной возможностью пространственной обработки сигнала.

В целом переход к использованию СШП антенных систем и нестационарных элек­тромагнитных полей дал разработчикам такой инструмент, как управление временными параметрами импульсов излучаемого сигнала, что открывает новые, перспективы по соз­данию локационной и связной аппаратуры различного назначения.

Литература

1. Хармут Х. Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1985. - З76 с.

2. Schantz H. The art and science of ultrawideband antennas. Boston: Artech House,

2005. - ЗЗ1 p.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа