Применение антенных переизлучающих структур в информационных радиосистемах

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: a_nk (t), φ_nk (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 V_n⁽¹⁾ посредством анализа эквивалентного многополюсника (рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентное представление РАПС

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

При рассогласовании стенки ЗО с падающим полем возникает отраженная волна V_o⁽¹⁾, в качестве её составляющей входит отраженная волна V_о⁽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 V_o и падающих волн V_n на её входах. Группа выходов (2) внешних ячеек представляет реальные входы подсоединенных к излучателям линий передач. Вектор столбец V_п⁽²⁾ характеризует величину нормированных напряжений, снимаемых с элементов решетки и поступающих на входы многополюсника МП2, а нормированные напряжения бегущих волн представлены вектором столбцом V_о⁽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 {g_n(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_n (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: Ψ_n – фазовая задержка волны в n-ом канале;

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

волновое число k = 2p /λ;

расстояние от излучателей решётки до точки наблюдения R_H (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.