Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 92

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 

Метод численного анализа. Для анализа использован метод физической оптики. В соответствии с этим методом в режиме передачи по полю облучателя, а в режиме приема - по полю облучающей электромагнитной волны определяется распределение поверхностных токов на поверхности рефлектора. По найденным токам определяется: в режиме передачи поле в заданной точке пространства, в режиме приема - поле на рас-крыве рупора облучателя. Токи на поверхности рефлектора находятся в узлах пересече­ний двух систем лини, расположенных на его поверхности. На рис.1 показаны несколько форм рефлектора, которые анализируются в работе, и указанные системы линий. Прямо­угольником показано месторасположения облучателя. Ось Z - фокальная ось парабо­лоида. Размер раскрыва рефлектора вдоль оси X далее обозначается символом Dx, вдоль оси Y - символом Dy , фокусное расстояние - Fp . Рассматривается случай вер­-

тикальной поляризации (вектор E поля облучателя расположен в плоскости YZ ). Раз­мер раскрыва рупора облучателя в плоскости Е - Br , в плоскости H - Br , глубина ру­пора - Rr . В программе, которая разработана на основе рассматриваемого метода и ко­торая использована для моделирования, предусмотрено смещение облучателя вдоль оси Y на величину DrY - для сканирования, вдоль оси Z на величину DrZ - для фокуси­ровки антенны.

Расстояние между соседними линиями определено при моделировании по крите­рию сходимости результата определения параметров диаграммы направленности (ДН) и коэффициента направленного действия. Предусмотрено также введение случайной ошибки выполнения профиля рефлектора.

Математическая модель антенны в режиме передачи учитывает нелинейное фазовое распределение поля на раскрыве облучателя, связанное с конечностью глубины рупора. Это приводит к тому, что фронт волны, излучаемой рупором несферический.

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 1

Рис. 1. Формы рефлектора

Не использовано обычно применяемое приближение о том, что поверхность реф­лектора расположена в дальней зоне облучателя.

Математическая модель антенны в режиме приема предусматривает определение поля в точке фокусировки, на раскрыве рупора и поля в волноводе рупора. Задача возбу­ждения волны Ню полем на раскрыве рупора при заданных смещениях ОгУ, ре­шается методом собственных волн [1]. В этом режиме сравниваются результаты расчета ДН для различных значений ОгУ и Ог2 при различных приближениях: по полю в точке расположения фазового цента облучателя, по распределению амплитуд поля на раскрыва облучателя и по распределению комплексной амплитуды поля на раскрыве облучателя (т.е. с учетом фазового распределения поля на раскрыве). В последних двух случаях ре­шается задача возбуждения волны Н10 полем на раскрыве облучателя.

В обоих режимах не учитывается искажение распределения тока на поверхности рефлектора вблизи его кромки за счет краевого эффекта и затенение рефлектора облуча­телем. Хотя следует отметить, что теневого эффекта нет в варианте рис.Ш, если нижняя кромка рефлектора расположена выше фокальной оси.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 07

Результаты численного анализа. Анализ проведен для антенн с различными зна­чениями Их / Л, Иу / Л ( Л -длина волны), отношениях Ер к диаметру раскрыва, смеще­ниях облучателя из фокуса, положениях вырезки из параболоида по отношению к фо­кальной оси. В режиме передачи рассматривалась задача фокусировки антенны на задан­ное расстояние, в режиме приема - облучение зеркала из заданной точки сферической волной, включая расположение этой точки в ближней зоне. Далее полученные результаты иллюстрируются частными случаями: для осесимметричного рефлектора с П / Л =30 (П = Их = Иу), Ер /П =0,5; для несимметричной вырезки при Иу / Л =40, Их/ Л =20, Ер / Их=1, при смещении вырезки по оси У на величину 0,5 Иу (нижняя кромка рефлек­тора совпадает с фокальной осью). Во всех случаях размеры раскрыва облучателя выбра­ны так, чтобы кромка зеркала облучалась полем, равным 0,3 от максимума в центре сим­метричного рефлектора. Глубина рупора Яг =3 Л .

На рис. 2 показано распределение поля в фокальной плоскости вдоль оси У для симметричного рефлектора, на рис. 3 - распределение поля вдоль фокальной оси рефлек­тора в режиме приема. Облучение рефлектора вдоль оси Z из дальней зоны. Точка на го­ризонтальной оси графика на рис.3 с координатой Z =150 мм соответствует фокусу рефлектора (Ер =150 мм, И =300 мм, частота моделирования / =30 ГГц). Выводы оче­видны.

мм мм

Рис. 2. Распределение поля в фокальной Рис. 3. Распределение вдоль

плоскости фокальной оси

На рис. 4 показаны ДН в режимах передачи и приема для осесимметричного реф­лектора. Причем на рис. 3А ДН в режиме приема определена как зависимость амплиту­ды поля в точке фокусировки от углового положения источника облучающей волны. На рис.3В - ДН определена по полю в волноводе. Как видно, расхождение между ДН в ре­жимах приема и передачи меньше во втором случае (только в области дальних боковых лепестков). Далее все результаты приведены для этого случая.

На рис. 4 показаны ДН в режимах передачи и приема сфокусированной антенны на расстояние трех диаметров раскрыва. Расхождения между ДН антенны, сфокусированной в дальнюю зону (рис.4В) и сфокусированной в ближнюю зону отличаются, практически только в структуре боковых лепестков, а не в их уровне. Отличия ДН в режимах передачи и приема отличаются на доли децибела. На рис.6 приведены ДН осесимметричной антен­ны при сканировании ( ИгУ =3 Л ). Антенна сфокусирована в дальнюю зону. Как видно, ДН в режимах передачи и приема отличаются только в области боковых лепестков. На рис.7 и 8 показаны ДН антенны с несимметричной вырезкой из параболоида вращения типа рис.Ш и ранее указанными геометрическими размерами - без сканирования со ска­нированием. Расширение главного лепестка на уровне, меньшем -10 дБ, связано с появ­лением асимметрии амплитудного распределения в плоскости Е.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 08о

-10 -20

■а -зо

-40 -50 -60

Диаграмма направленности

-10    -5     0     5 10

Угол наблюдения, градус

Передача

Прием

А

15

0 -10 -20 ■я -30 -40 -50 -60

Диаграмма направленности

-10      -5       0        5 10 Угол наблюдения, градус

Передача

Прием

В

Рис. 4. ДН в режиме передачи и приема

15

0 -10 -20

■а -30

-40 -50 -60

Диаграмма направленности

-10

-5       0 5 Угол наблюдения, градус

10

15

0 -10 -20 ■я -30 -40 -50 -60

Диаграмма направленности

 

[

 

 

 

Ж

\

 

 

 

\

 

л /V

й \ ?

 

 

 

і..........................

 

 

1 1

Г

 

І ^ її

10

20

30

Угол наблюдения, градус

Передача

Прием

Передача

Прием

0

Рис.5. ДН при фокусировке Рис.6. ДН при фокусировке в

в ближнюю зону дальнюю зону и сканировании

0 -10 -20 ■я -30 -40 -50 -60 !

Диаграмма направленности

-20     -10      0       10 20 Угол наблюдения, градус

............Передача-Прием

30

0 -10 -20 і £ -30 -40 -50 і -60

Диаграмма направленности

-20 -10

10

20

30

Угол наблюдения, градус

Передача

Прием

0

Выводы. Проведенный численный анализ характеристик зеркальной антенны в ре­жимах передачи и приема позволяет заключить, что метод физической оптики с ранее указанными приближениями с точностью, достаточной для практики, может быть ис­пользован при решении задач взаимовлияния в группе антенн, расположенных по отно­шению друг друга в ближней зоне.

Литература

1. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. -М.: Сов. радио, 1957, 580 с.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 09

ОЦЕНКА СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЗМАХ

ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОШИБОК АФР

Усин В А.1, Анохин РА.1, Сергеев В.М.1, Усина А.В.2, Помазанов С.В.3 1 Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина 14, Харьков, 61166, Украина тел: +38(057)7021430, e-mail: usin_va@,rambler.ru 2Харьковский государственный университет питания и торговли

ул. Клочковская 333, Харьков, 61051, Украина 3Антрацитовский техникум радиоэлектронного приборостроения ул. Ленина 26, Антрацит, 94631, Украина In the given work offers using modern personal computer's facilities for getting phased array antennas statistics with join action of different factors which destabilize amplitude-phase distribution in antenna's aperture.

Введение. Современные антенны являются сложными и дорогостоящими система­ми практически любого радиотехнического комплекса (РТК). От параметров антенных систем (АС) существенно зависят основные качественные и количественные характери­стики РТК — дальность действия, помехозащищенность, разрешающая способность по угловым координатам и др.

В силу ряда причин (несовершенство конструкции ФАР, погрешности систем раз­водки СВЧ-сигналов, ошибки отработки управляющих воздействий фазовращателями, аттенюаторами и др.) АФР в раскрыве антенны является случайным. Поэтому параметры АС также являются случайными.

Свойства антенн со случайными источниками изучает статистическая теория ан­тенн (СТА), основы которой изложены в [1] . Вместе с тем в большинстве работ, в кото­рых рассматриваются различные аспекты СТА (например, в [2 ... 4]), речь идет, как пра­вило, о малых ошибках и отдельных факторах, которые являются источниками ошибок. Это связано с рядом математических сложностей при получении аналитических выраже­ний при наличии ряда совместно действующих причин, приводящих к ошибкам реализа­ции АФР. В частности, для случая малых ошибок амплитуды и фазы получены выраже­ния для статистических параметров линейных и апертурных антенн в [2], случай малых ошибок рассмотрен при решении прямых и обратных задач статистической теории ан­тенных измерений (СТАИ) [4].

Поэтому актуальной является задача оценки статистических характеристик ФАР при воздействии ряда источников ошибок и их произвольной величине. Целью исследо­ваний является анализ возможностей применения современных персональных компьюте­ров для получения указанных характеристик, что позволит в итоге сформулировать обос­нованные требования к элементам антенн, их надежности, оценить потенциальные воз­можности ФАР различных типов в различных условиях эксплуатации, обосновать требо­вания к точности измерений ближнего поля при реализации голографических и ампли­тудных методов определения параметров антенн [4,5].

Основная часть. В работе рассматривается ФАР произвольной конфигурации, со­стоящая из одинаковых и одинаково ориентированных излучателей. Сделанное предпо­ложение позволяет не учитывать далее векторную структуру поля и при слабой направ­ленности излучателе рассматривать только множитель решетки, который представим в виде

л(M=IАгеШр , (1)

i

где k=2nlX; А- = — относительная амплитуда и фаза тока z-ro излучателя; р,

— радиус-вектор положения излучателя; lp — орт направления на точку наблюдения.

СРРСН'2008

I . 2 - 1 1 0

Выражение для Аг представим в виде

Л, = +      + о,^ (2)

В выражении (2) Лп, ц>:й — амплитуда и фаза /-го излучателя без ошибок; рь а; — мультипликативные и аддитивные ошибки амплитуды; 5<р( фазовые ошибки; ^ —

величина, принимающая с вероятностью р значения 1 или 0 и позволяющая моделировать выход из строя излучателей антенны.

Положение излучателя зададим в виде

й=Ао+*А (з)

где ёр; = Л"е5л\+ У°^УГ ~~ Ге5Г;. — случайная ошибка размещения /-го излучателя в антенне.

Моделирование ФАР по соотношениям (1)...(3) позволяет в результате обработки получать статистические характеристики параметров антенн для ряда практически важ­ных ситуаций.

В работе моделировались линейные и квадратные ФАР с числом излучателей N=32 и N=32x32, шаг решетки был выбран с1=А/2, амплитудное распределение было выбрано равномерным и дольф-чебышевским с уровнем боковых лепестков -30дБ. Все источники ошибок считались независимыми и некоррелированными в излучателях. Это соответст­вует малым радиусам корреляции [1] и приводит к постоянному добавочному фону в средней ДН по мощности.

В работе рассматривались статистические характеристики средней нормированной

амплитудной ДН Я(и) = £ Яг (и))Я1тах , ^ (и) = /(), где Т — число усредняемых реали-

т г=0 тах

заций; и=8т0, 0 — угол, отсчитываемый от нормали к полотну антенны (Т=700). Приведем некоторые результаты.

На рис.1 представлена гистограмма распределения уровня первого бокового лепе­стка (УБЛ) линейной антенны с равномерным АР при 10% выходов из строя излучателей.

На рис.2 приведена эмпирическая функция распределения уровня первого бокового лепестка, совмещенная с нормальной функцией распределения, с теми же параметрами (средним значением и дисперсией) что и получены в расчетах. Как видно из этих рисун­ков распределение УБЛ хорошо аппроксимируется нормальным законом. Величина т, на рис.1 представляет частоту попадания \Ебл\ в соответствующий интервал.

Совместное действие ряда источников ошибок на параметры ФАР иллюстрируется рис. 3,4.

На рис.3 показана зависимость среднеквадратичного отклонения (СКО) уровня 1-го БЛ от амплитудных и фазовых ошибок. Как отмечено в [2], эти ошибки в равной степени

влияют на УБЛ. На рис.4 показана динамика изменений СКО от отказов элементов и фазовых ошибок. Как видно из рисунка, влияние отказавших элементов (в процентах) на дисперсию УБЛ эквивалентно увеличению фазовых ошибок (в градусах).

Статистическое моделирование позволяет предъявить требования и к точности из­мерения ближнего поля антенны при определении ДН голографическим и амплитудным методом.

Как известно [4], требуемую точность измерений амплитуды и фазы (или только ам­плитуды) ближнего поля можно определить по заданному значению разностного функ­ционала Рк. разн, т.е. вероятности того, что огибающая восстановленной ДН находится в заданных пределах относительно истиной ДН. Методика расчета Рь разн приводится в [4] и требует знания корреляционных свойств ДН в различных угловых направлениях.

СРРСН'2008

1-ч . 2 - 1 1 1

.1      0.135     0.17     0.205     0.24     0.275     0.31     0.345     0.33     0.415 0.45

ГЦ

Рис. 1

Рис. 2

СКО фазовой ошибки, гра^

Рис. 3

Рис. 4

На рис. 5...7 приведены результаты расчета разностного функционала квадратной ФАР с дольф-чебышевским АР. Графики построены для восстановления ДН в направле­нии первого бокового лепестка (кривая 1), для пары симметричных боковых лепестков (кривая 2) и в угловом секторе, включающем две пары ближайших к главному боковых лепестков (кривая 3). На рис.5 показан график Ркра3н когда ошибки измерения амплитуды отсутствуют   (о-  = Б',     = се = (?);   рис.   6   —   отсутствуют   фазовые ошибки

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