Программа синтеза АФР кольцевой АР изотропных элементов

по ДН, заданной в виде d - функции в направлении φ ₀

R:= 2.5 N:= 8 e:= 10^-1       // R - радиус окружности в l; N - число изотропных элементов АР;

φ0 := 90                         // e- уровень относительной погрешности АФР

n:= 0..N-1 m:= 0..N-1 // Интервалы индексов векторов и матриц (в Mathcad-e стартуют с 0 !!)

// R и φ0 в радианах; α_n − угловые координаты элементов

// Индивидуальная ДН n-го элемента

 // Элементы матрицы А и правые части СЛАУ

U:= Isolve(A,B)               // Решение СЛАУ. Вектор U - это АФР

θ:= 0..360     // q - угол в градусах; Fa(q,U) – ДН кольцевой АР,

// соответствующая АФР U

// V1 - V5 выборка из пяти АФР со cлучайными поргешностями:  синфазной и квадратурной  

Продолжение программы такое же, как у предыдущих программ.

На рис. 2.8 приведены результаты, демонстрирующие устойчивое и неустойчивое решения.

а	б
Рис. 2.8. Расчетные результаты

Кольцевая решетка излучателей с кардиоидными ДН

Измените предыдущую программу под синтез кольцевой АР с радиально ориентированными кардиоидными ДН элементов по секторной ДН. Очевидно, что эти изменения коснутся состава исходных данных, формул для индивидуальных ДН, элементов матрицы А и вектора В.

 

Программа синтеза АФР кольцевой АР кардиоидных элементов по ДН,

заданной в виде секторной функции от φ 1 до φ 2

R:= 2.5 N:= 8 e:= 10^-1       // R - радиус окружности в l; N - число изотропных элементов АР;

φ0 := 90                         // e- уровень относительной погрешности АФР

n:= 0..N -1 m:= 0..N -1 // Интервалы индексов векторов и матриц (в Mathcad-e стартуют с 0 !!)

// R и φ0 в радианах; α_n − угловые координаты элементов

// Индивидуальная ДН n-го элемента

// Комплексно сопряженная индивидуальная ДН

// Матрица А и правые части СЛАУ

Остальная часть программы (выборки V 1 − V 5 и графики ДН) совпадает с предыдущей.

 

На рис. 2.9 представлены результаты расчетов для некоторых ситуаций: последовательно возрастает число элементов N и увеличивается точность реализации АФР для поддержания приемлемого качества ДН.

а	б
в	г
Рис. 2.9. Расчетные результаты

 

Основная закономерность, имеющая универсальный характер, состоит в том, что вне зависимости от геометрии АР и формы желаемой ДН возможно существование сверхнаправленных АФР, чрезвычайно чувствительных к погрешностям. Единственное условие − достаточно большое число плотно расположенных элементов.

Задание. Используя любую из четырех программ этого раздела, выясните, при каком расстоянии между элементами линейной или кольцевой АР начинает проявляться сверхнаправленность.

 

3. Назначение и разновидности адаптивных антенных решеток

Вводные замечания

На мой взгляд, лучший способ разобраться в сути какой-либо технической системы – попытаться самостоятельно, насколько это удастся, продвинуться от несложно понимаемых функциональных свойств к конкретным техническим решениям, по ходу дела принимая упрощающие допущения, осваивая необходимые новые математические приемы или «заштукатуривая» пробелы в знаниях и оставляя «узелки на память». Естественно, на этом пути студенту очень трудно быть абсолютно самостоятельным, тем более, что приемлемые временные затраты существенно ограничены. На одних этапах надо иметь настойчивого поводыря, на других – деликатного советчика. Их роль я постараюсь исполнить*. Представим себе, что никто не знает, как достичь того, чтобы АР была способна автоматически изменять свою ДН, формируя глубокие провалы в направлениях на помехи. Наша задача – осчастливить человечество. Но прежде взглянем на поле деятельности.

Начнем с толкований, которые терминам «адаптация» и «адаптивная антенная решетка» дает Википедия (http://ru.wikipedia.org/wiki/)

Адаптация (лат. «adapto» — приспособляю) − это процесс приспособления к изменяющимся условиям внешней среды.

Адаптивная антенная решётка (ААР) — тип антенны, в которой динамическое изменение параметров и характеристик антенн меняется адаптивно к воздействиям внешних или внутренних факторов, за счет чего повышается качество приёма сигнала. В зарубежной литературе адаптивная антенная решётка зачастую называется smart antenna (умная антенна).

Хронологически первым техническим решением, которое можно отнести к ААР, является переизлучающая антенная решетка Ван-Атта (рис. 3.1,а). Она образована линейной, или плоской, антенной решеткой, симметрично (относительно центра) расположенные элементы которой попарно соединены отрезками фидеров одинаковой длины (выделены жирной линией).

а	б
Рис. 3.1. Антенная решетка Ван-Атта: а – пассивное переизлучение; б – переизлучение с усилением и модуляцией сигнала

Если на решетку под углом θ₀ падает плоская электромагнитная волна, то на антенном элементе с координатой х наводится сигнал , который  излучается  симметрично расположенным элементом с координатой  – х. Поэтому излучаемые решеткой сигналы имеют фазовое распределение {I_n = }, которому соответствует ДН

.         (3.1)

Эта ДН сфокусирована в направлении θ₀, поскольку в направлении θ = θ₀ все сигналы, как это следует из (3.1), складываются синфазно, формируя максимум ДН. Таким образом, решетка Ван-Атта обладает заманчивой способностью переизлучать падающую на нее волну в направлении, откуда та пришла. Очевидно, что такая решетка порождает интенсивный обратный сигнал при облучении в широком секторе углов и может применяться как эффективный пассивный радиобуй навигационной системы или отражатель в интересах радиолокационной маскировки.

Вопросы для размышлений.

1. Не прибегая к формульным средствам, на основе только геометрических построений (см. рис. 3.1, а) и физических соображений обоснуйте факт, что сложения в направлении θ₀ переизлученные сигналы от всех антенных элементов складываются синфазно.

2. Реальные антенные элементы согласованы не идеально. Проявляется ли это в расфазировке обратного излучения при нормальном (θ₀ = 0) и/или наклонном падении возбуждающей решетку волны? Считая допустимым разброс фаз на 30°*, оцените требуемый уровень согласования элементов решетки Ван-Атта (по модулю коэффициента отражения S₁₁, или по КСВН = (1 + | S₁₁|)/(1 − | S₁₁|)). Полезно иметь в виду, что на практике значение КСВН хорошо согласованных антенн находится в диапазоне значений 1,2 ÷ 1,5 и достигается только при тщательной отработке конструкции АР.

На рис. 3.1,б представлен вариант активной решетки Ван-Атта, предоставляющий возможность, во-первых, усиливать излучаемый сигнал, а во-вторых, использовать его для передачи информации от бортовой системы. На этой схеме кружок со стрелкой обозначает трехплечий циркулятор, который практически без потерь передает входной сигнал в плечо по стрелке. Обратное плечо является развязанным, и в идеале сигнал в это плечо не поступает. Типичное значение развязки находится в диапазоне −20дБ ÷ −40дБ.

Вопросы для размышлений.

1. Как и в случае пассивной решетки Ван-Атта рассогласование антенных элементов вызывает отклонения фаз излучаемых сигналов. Считая допустимым разброс фаз на 30°, оцените требуемый уровень согласования элементов активной решетки Ван-Атта. Зависит ли результат от коэффициента усиления усилителя и развязки циркуляторов?

2. Как видно из рис. 3.1, б каждый усилитель оказывается охваченным цепью обратной связи. Попробуйте сформулировать условие, при котором эта связь отрицательна и, соответственно, усилитель не возбуждается.

К ААР не принято относить антенны, чьи характеристики и ДН изменяются программно или по сигналам командной радиолинии, например, как у фазированных антенных решеток или антенн спутников и космических аппаратов. Даже применительно к радиолокационным или навигационным антеннам, осуществляющим автоматическое сопровождение цели по направлению за счет обработки принимаемых сигналов, говорят о режиме автосопровождения, но не адаптации.

В подавляющем большинстве случаев под ААР понимается АР, работающая в режиме приема и автоматически формирующая глубокие провалы в направлениях на источники мешающих сигналов. Применение ААР в радиолокации защищает РЛС от помех, в том числе и умышленных, воздействующих по боковым лепесткам, а также избавляет от ложных отметок, создаваемых близкими целями, сигналы которых принимались бы боковыми лепестками ДН неадаптивной антенны. ААР играют еще более важную роль в обеспечении помехозащищенности телекоммуникационных систем, поскольку их антенны должны обеспечивать радиосвязь в широком секторе углов и любые источники мешающих сигналов, расположенные в пределах этого сектора, существенно ухудшают соотношение сигнал/(шум + помеха), соответственно, сокращая дальность действия системы. В случае РЛС имеется хотя и нелегкая, но альтернатива – снижение уровня боковых лепестков. Для телекоммуникационных систем такой альтернативы не существует.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: