научный журнал «Актуальные исследования» #5 (84), февраль '22

Применение антенных переизлучающих структур в информационных радиосистемах

В статье рассматриваются возможности переизлучающих структур для применения в информационных радиосистемах с направленными антеннами в качестве защитных оболочек и фазовых корректоров проходящих радиоволн.

Аннотация статьи
антенна
информационная радиосистема
переизлучающая структура
решетка
Ключевые слова

Радиопрозрачная антенная переизлучающая структура (РАПС) представляет токопроводящий экран с периодическими отверстиями малого диаметра по сравнению с длиной проходящей электромагнитной радиоволны λ [1, c. 37]. Пассивные решётки излучателей размещены с разных сторон экрана и попарно соединены линиями передач, проходящими через отверстия в экране. Характеристики радиопрозрачности РАПС определяются конструкцией пассивных решёток и не зависят от отверстий. В зависимости от целевого назначения радиосистем РАПС может выполнять функции:

  • защитной оболочки для антенн от воздействий внешних факторов окружающей среды (радиопрозрачные укрытия, обтекатели летательных аппаратов [2, c. 5]);
  • фазовых корректоров в диаграммообразующих системах гибридных антенн, например, купольных активных фазированных плоских решеток с расширенными секторами сканирования пространства [3, с. 104];
  • пассивных ретрансляторов, изменяющих параметры проходящих электромагнитных волн (направление, поляризация, фазовые характеристики).

Конструкция РАПС из ячеек вибраторного типа над проводящим плоским экраном и внешний вид представлены ниже (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция и внешний вид РАПС

Разнообразие конструкций РАПС характеризуется высокой механической прочностью, обеспечивающий эксплуатацию радиосистем при воздействии различных внешних факторов (температур, метеоосадков, агрессивных сред и др.). Параметры радиопрозрачности относятся к важнейшим требованиям к конструкциям РАПС, которые должны реализовать необходимую механическую прочность и оказывать минимальное влияние на характеристики антенн.

Анализ радиопрозрачных свойств предполагает рассмотрение особенностей характеристик преобразования радиоволн после прохождения конструкции. Выходной сигнал антенны зависят от параметров падающего поля, коэффициента передачи РАПС и конструктивного исполнения диаграмообразующей схемы. Решение внутренней задачи предполагает определение вектора возбуждения внешних излучающих элементов V(t) по заданным амплитудно-фазовым распределениям (АФР) элементов решетки X(t), или по известному вектору возбуждения внешних элементов РАПС представить сигнал в плоскости размещения антенны (рис. 2).

Рис. 2. Эквивалентная схема антенной системы с РАПС

Поле в зоне размещения РАПС от источников излучения представляет плоский фронт, образованный аддитивной суммой всех внешних источников радиоизлучений. Возбуждение внешних переизлучающих ячеек k-ым источником представляется вектором возбуждения

где: ank (t), φnk (t) – амплитуда и фаза напряжения возбуждения n-го внешнего элемента ячейки от падающего плоского фронта электромагнитного поля k-го источника радиосигнала.

Вектор возбуждения образован суммой парциальных векторов возбуждения от всех источников радиоволн и зависит от направления χ на каждый источник радиосигнала

По известному возбуждению ячеек РАПС выходной сигнал в активных элементах внешней решетки представляется в виде произведения матричных операторов, определяющих прохождение сигнала на выход антенны через излучатели, пространство и ячейки структуры .

Применение декомпозиции позволяет представить антенную систему простыми базовыми элементами, процессы в которых можно анализировать методами эквивалентных схем или электродинамики. В гибридных антенных системах с функциональной РАПС операторы преобразования определяются посредством решения внутренней задачи для падающей электромагнитной волны Vn(1) посредством анализа эквивалентного многополюсника (рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентное представление РАПС

После прохождения РАПС падающее поле преобразуется в волну Vп(4), которая создает АФР в плоскости внешних излучателей.

При рассогласовании стенки ЗО с падающим полем возникает отраженная волна Vo(1), в качестве её составляющей входит отраженная волна Vо(4). Передаточные характеристики многополюсника представляются матрицей рассеяния S. Каскадное соединение многополюсников МП1, МП2, МП3 определяет передаточные характеристики внешней (МП1) и внутренней (МП3) излучающих решеток, соединенных между собой многополюсником МП2 с числом излучателей L.

Характеристики ячеек РАПС определяются матрицей рассеяния, связывающей нормированные напряжения отраженных Vo и падающих волн Vn на её входах. Группа выходов (2) внешних ячеек представляет реальные входы подсоединенных к излучателям линий передач. Вектор столбец Vп(2) характеризует величину нормированных напряжений, снимаемых с элементов решетки и поступающих на входы многополюсника МП2, а нормированные напряжения бегущих волн представлены вектором столбцом Vо(2) и определяют отраженную часть сигнала от входов МП2. Нормировка падающих и отраженных электромагнитных волн производится так, что квадрат их модуля определяет мощность на входах многополюсников.

Группа входов (1) образует эквивалентный канал обмена электромагнитной энергии между антенной решеткой и свободным пространством. Эквивалентным входам соответствует система ортогональных диаграмм направленности {gn(χ)} с ортой  χ, определяющей направления на точку наблюдения, которые представляют собой линейную комбинацию независимых диаграмм направленности излучателей, задаваемых при разомкнутых входах. Ортонормированная система диаграмм направленности определяется системой γ(χ) излучателей и может быть найдена с помощью выражения . Преобразующая матрица нормированных величин J является решением матричного уравнения  , где Z – матрица нормированных величин к волновому сопротивлению линий передач собственных и взаимных сопротивлений излучающей решётки РАПС.

Для случая идентичных, одинаково направленных излучателей и незначительной кривизны экрана значение модулей нормированных диаграмм направленности излучателей в соответствующих направлениях можно считать равными единице и с точностью до константы

где: Ψn – фазовая задержка волны в n-ом канале;

rnl – расстояние между n-ым и l-ым излучателями рассматриваемых решёток излучателей;

волновое число k = 2p /λ;

расстояние от излучателей решётки до точки наблюдения RH (χ).

Рассматриваемая РАПС осуществляет фазовое преобразование падающих волн, что позволяет анализировать влияния фазового корректора на характеристики антенн и радиосистем в целом. Предложенный метод решения внутренней задачи обеспечивает нахождение выходного сигнала антенной системы при наличии данных о конструкции, содержащих геометрию поверхности РАПС, расположение переизлучающих ячеек заданного типа. Применение основанных на геометрооптических приближениях методов анализа радиотехнических параметров РАПС, с числом переизлучающих ячеек более тысячи, позволяет получить допустимые на практике результаты при проектировании информационных радиосистем.

Текст статьи
  1. Каплун В.А., Большунов В.Ю. Динамически прочный радиопрозрачный материал на базе переизлучающих структур. М.: Радиотехника, 2001. № 10, С. 37-45.
  2. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчёт и проектирование). М.: Сов. Радио, 1974. 240 с.
  3. Новые материалы антенных обтекателей летательных аппаратов. Обзор составлен Я.А. Шнейдерманом. М.: Зарубежная радиоэлектроника. 1976. № 3, С. 97-116.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 02 июля по 08 июля
Осталось 3 дня до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
12 июля
Загрузка в eLibrary
12 июля
Рассылка печатных экземпляров
22 июля