eng
Содержание
Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Список использованных источников к введению . . . . . . . . . . . 10
Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании
импульсных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.
Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.
Структура поля многочастотных антенных решеток
в зонах Фраунгофера и Френеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.1.
Математическая модель для расчета поля МЧАР . . . . 22
1.2.2.
Зависимость ширины сектора сканирования МДН
для решетки с автоэлектронным сканированием
от относительной ширины полосы частот
и дальности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.3.
Исследование влияния ширины полосы сигнала на
скорость сканирования МДН МЧАР, сферичность
волнового фронта и положение фазового центра . . . . 35
1.2.4.
Разновидности линейных МЧАР и особенности
их ПВР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.2.5.
Прямоугольная МЧАР с двухкоординатным
(растровым) сканированием МДН. . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.
Формирование СШП-сигналов и видеоимпульсов
линейными, плоскими и конформными МЧАР . . . . . . . . . 63
1.4.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Список использованных источников к главе 1 . . . . . . . . . . . . . 76
Глава 2. Формирование мощных широкополосных
и сверхширокополосных импульсных сигналов методом
пространственно временного преобразования. . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.1.
Метод пространственно-временного преобразования
многочастотного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2.
Экспериментальные исследования метода
пространственно-временного преобразования
многочастотного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.3.
Оценка энергетических потерь при формировании
мощных ШП импульсных сигналов методом
пространственно-временного преобразования. . . . . . . . . . . 91
2.4.
Исследование конструкций сверхразмерных волноводов . . . 94
2.4.1.
Пространственно-временной преобразователь
с H-секториальным сверхразмерным волноводом. . . . 94
2.4.2.
Пространственно-временной преобразователь
с Е-секториальным сверхразмерным волноводом . . . 104
2.5.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Список использованных источников к главе 2 . . . . . . . . . . . . 109
Глава 3. Предложения по практической реализации
многочастотных антенных решеток и пространственно
временных преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1.
Предложения по практической реализации
многочастотных антенных решеток. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1.1.
Крупноапертурный инжектор плазмы на основе
линейной многочастотной антенной решетки . . . . . 111
3.1.2.
Экспериментальный образец многочастотной
решетки с широкополосным сигналом. . . . . . . . . . . 114
3.1.3.
Устройство постановки заградительной помехи
для подавления радионавигационных систем
роя малоразмерных дронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.2.
Предложения по применению различных конструкций
пространственно-временных преобразователей
в устройствах формирования мощных ШП и СШП
импульсных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.1.
Экспериментальный образец пространственно-
временного преобразователя для формирования
последовательностей мощных ШП-импульсов . . . . . 120
3.2.2.
Пространственно-временной преобразователь
L-диапазона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2.3.
Пространственно-временной преобразователь
с плоской приемной решеткой . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.2.4.
Пространственно-временной преобразователь
на основе МЧАР с растровым сканированием . . . . . 135
3.2.5.
Пространственно-временной преобразователь
на основе ФАР отражательного типа . . . . . . . . . . . . 143
4
Содержание
3.2.6.
Пространственно-временной преобразователь
проходного типа в качестве облучателя
двухзеркальной антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.2.7.
Пространственно-временные преобразователи
на основе зонированной зеркальной антенны . . . . . 149
3.3.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Список использованных источников к главе 3 . . . . . . . . . . . . 156
Глава 4. О возможностях создания перспективных РЛС
со сверхширокополосным зондирующим сигналом на основе
многочастотных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.1.
Анализ состояния и проблемы создания перспективных
РЛС со сверхширокополосным зондирующим сигналом . . 159
4.2.
РЛС с пространственным формированием СШП-сигнала
на основе многочастотных антенных решеток . . . . . . . . . . 161
4.3.
О возможностях снижения уровня боковых лепестков
в диаграмме направленности МЧАР . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.1.
Нелинейная обработка сигналов АФАР . . . . . . . . . . 172
4.3.2.
Мультипликативная обработка сигнала
многочастотной антенной решетки . . . . . . . . . . . . . 183
4.4.
Проблемы создания РЛС со сверхширокополосным
зондирующим сигналом с размещением приемо-
передающих элементов многочастотной АФАР
на мультикоптерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.5.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Список использованных источников к главе 4 . . . . . . . . . . . . 198
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Список используемых сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Введение
В настоящее время антенные решетки (АР) являются наиболее
распространенным и быстро развивающимся типом антенных сис-
тем, используемых в современных радиоэлектронных средствах
(РЭС). По мере расширения перечня задач, стоящих перед разра-
ботчиками РЭС, таких как высокоскоростной обзор пространства,
реализация широкоугольного сканирования диаграммы направ-
ленности (ДН) при излучении сверхширокополосных (СШП)
и сверхкороткоимпульсных (СКИ) сигналов, а также генерация
мощных (до сотен мегаватт) ШП- и СШП-радиоимпульсов,
предъявляются новые требования к антенным системам. Возмож-
ности существующих АР не позволяют обеспечить эффективное
решение указанных задач.
Используемый в настоящее время термин «многочастотные
антенные решетки», как правило, связан с размещением разночас-
тотных решеток в одном излучающем раскрыве. Такие решетки
также называют совмещенными или многочастотными совмещен-
ными [1]. Их характерной особенностью является независимое
формирование ДН на каждой частоте. В книге представлены мно-
гочастотные антенные решетки (МЧАР) и устройства на их основе,
разработанные авторами. В отличие от совмещенных антенных
решеток эти решетки построены по принципу «один излуча-
тель — одна спектральная компонента многочастотного (МЧ) сиг-
нала», поэтому основные параметры МЧАР являются функциями
пространственных координат и времени, что является принципиа-
льным отличием МЧАР от традиционных антенных решеток. Ско-
рость изменения параметров МЧАР во времени определяется мак-
симальной шириной полосы МЧ-сигнала. Это свойство МЧАР обу-
славливает возможность реализации высокоскоростного сканирова-
ния ДН, а также возможность совместить функции излучающей
системы и пространственного ШП и СШП импульсного модулято-
ра. Такое построение является возможной альтернативой существу-
ющим способам генерации и излучения ШП- и СШП-сигналов.
В книге также показана принципиальная возможность создания
устройств формирования мощных (до единиц гигаватт) импульсных
сигналов, перспективных РЛС с СШП-сигналами и устройств для
высокоскоростного обзора пространства на основе МЧАР.
Следует отметить, что линейные эквидистантные решетки
с разночастотными сигналами применялись для реализации элект-
ронного сканирования в приемной антенной системе, созданной
в рамках проекта MOSAR [2] (Modulation Scanned Array — решет-
ка с модуляционным сканированием) фирмы General Electric и ра-
боты по сверхбыстрому обзору пространства с использованием
пространственно-многоканальных линейных антенных систем [3].
Однако в этих работах показана возможность сканирования ДН
только в одной плоскости, а проблемы формирования излучения
ШП- и СШП-сигналов не рассматривались.
Для определения СШП-сигналов в книге использовано опре-
деление, введенное в [4], в соответствии c этим определением
к СШП относятся системы и сигналы, для которых выполняется
неравенство 0,25 1, которое определяется как
f f
f f
â í
â í
, (1)
где f â и f í — верхняя и нижняя границы полосы частот. В случае
если 0,01 0,25, сигналы являются широкополосными (ШП),
если 0,01 — узкополосными [4]. Из этого определения следует,
что системы, излучающие короткие радиоимпульсы с частотой
заполнения, в несколько раз превышающей ширину спектра, яв-
ляются узкополосными. Однако такие системы обладают практи-
чески всеми свойствами СШП-систем, поэтому такие системы
и сигналы в литературе называют короткоимпульсными или
сверхкороткоимпульсными [5]. Импульсный СШП-сигнал пред-
ставляет собой короткий импульс без высокочастотного заполне-
ния (СКИ, видеоимпульс) или короткий отрезок периодического
колебания, состоящий из одного-трех периодов. Иногда такие
сигналы называют сигналами без несущей частоты.
Традиционно для классификации этих сигналов использова-
лось понятие относительной ширины полосы частот:
f f
f
â í
0
, (2)
гдеf f f 0 â í ( ) / 2 — центральная частота спектра сигнала, кото-
рая для СШП-сигналов сравнима с полосой сигнала f f â í [6].
Введение 7
Для узкополосных и ШП-радиосигналов f0 имеет смысл несущей
частоты. Переходя от выражения (1) к выражению (2), можно счи-
тать сигналы, для которых выполняется неравенство 0,02, узко-
полосными, 0,02 0,5 — широкополосными, 0,5 2 —
сверхширокополосными.
СКИ-сигналы могут использоваться в системах радиолокации,
позволяющих идентифицировать объекты, находящиеся под по-
кровом листвы и под поверхностью земли, в средствах скрытой
и помехоустойчивой радиосвязи и контроля окружающего про-
странства. Для средств связи, построенных на основе СКИ, харак-
терна совместимость с обычными средствами связи и существенно
меньшая экологическая нагрузка на окружающую среду.
Использование мощных импульсных СШП- и СКИ-сигналов
позволит обеспечить качественный скачок в развитии радиолока-
ционных систем с формированием портретов лоцируемых объек-
тов, а также систем радиоэлектронного подавления (РЭП).
Актуальность СШП- и СКИ-проблематики можно подчеркнуть
часто цитируемым заключением американских специалистов:
«Страна, первой вышедшая на широкое применение технологий
сверхширокополосной короткоимпульсной электродинамики, по-
лучит качественное преимущество перед другими» [7].
Для генерации мощных ШП-, СШП- и СКИ-сигналов могут
использоваться различные приборы, как традиционные, электро-
вакуумные и твердотельные [8, 9, 11, 13, 14], так и релятивистские
[8, 9]), а также приборы на основе взрывомагнитных генераторов
[8]. При этом увеличение мощности и уменьшение длительности
импульса может достигаться применением метода компрессии,
при котором энергия генератора, накопленная в резонаторе, выво-
дится в фидер с помощью коммутатора за время, меньшее време-
ни накопления. Компрессия импульсов применяется как для ваку-
умных приборов [10], так и для твердотельных [12, 14].
Следует отметить ряд общих проблем использования СШП-
и СКИ-генераторов в современных РЭС. Во-первых, это проблема
согласования генераторов с антенной в сверхширокой полосе час-
тот. Во-вторых, проблема электромагнитной совместимости
(ЭМС) с собственными РЭС, обусловленная случайным спектром
импульсных сигналов и высоким уровнем внеполосного излуче-
ния на выходе релятивистских приборов и генераторов СКИ-ви-
деоимпульсов.
8 Введение
Применение МЧАР позволяет решить проблему согласования
генератора (усилителя) с антенной при формировании СШП-
и СКИ-импульсов и обеспечить решение задачи ЭМС, так как для
генерации последовательностей импульсов используются взаимно
когерентные генераторы с детерминированным спектром.
В первой главе приведены результаты исследований структуры
электромагнитного поля многочастотных антенных решеток при
пространственном формировании импульсных сигналов в зоне Фра-
унгофера, а также особенностей структуры поля в зоне Френеля. Ис-
следовано влияние ширины полосы сигнала на скорость автоэлект-
ронного сканирования мгновенной диаграммы направленности
(МДН) линейной МЧАР, сферичность волнового фронта и положе-
ние фазового центра. Авторами разработана прямоугольная МЧАР
с растровым сканированием МДН, которая позволяет реализовать
двухкоординатное автоэлектронное сканирование ДН и обеспечить
равномерную засветку сектора пространства. Показана возможность
пространственного формирования СШП импульсных сигналов ли-
нейными, плоскими и конформными МЧАР со случайным распре-
делением частот сигналов по элементам апертуры.
Во второй главе показана возможность формирования мощных
радиоимпульсов методом пространственно-временного преобразо-
вания (ПВП) многочастотного сигнала. Метод предполагает осуще-
ствлять накопление энергии в линиях задержки в течение времени
сканирования ДН с последующим излучением этой энергии за вре-
мя, определяемое шириной спектра излучаемого импульса, то есть
шириной спектра МЧАР. Максимальный коэффициент накопле-
ния равен отношению периода сканирования к ширине главного
лепестка диаграммы направленности. Приведены результаты экспе-
риментальных исследований метода ПВП, в частности результаты
измерения величины потерь энергии при преобразовании, получен-
ные калориметрическим методом на высоком уровне мощности.
Третья глава посвящена практической реализации устройств на
основе МЧАР и пространственно-временных преобразователей
МЧ-сигнала.
Показана возможность применения МЧАР в радиотехнических
системах, в частности в крупноапертурном инжекторе плазмы, эк-
спериментальном макете МЧАР со случайным распределением ча-
стот сигналов по элементам апертуры и устройстве с высокоско-
ростным растровым сканированием ДН, предназначенным для
Введение 9
обзора пространства и постановки заградительной по пространст-
ву помехи.
Разработаны предложения по применению различных конст-
рукций пространственно-временных преобразователей в устройст-
вах формирования мощных ШП и СШП импульсных сигналов,
в частности в экспериментальном образце пространственно-вре-
менного преобразователя с H-секториальным сверхразмерным
волноводом. Предложены различные конструкции пространствен-
но-временных преобразователей: на основе ФАР отражательного
типа; с использованием МЧАР с растровым сканированием; а так-
же вариант использования пространственно-временного преобра-
зователя в качестве облучателя крупноапертурной двухзеркальной
антенны. Для формирования СШП-радиоимпульсов разработаны
устройства на основе зонированных зеркальных антенн с накопи-
телем энергии на пространственных линиях задержки. В качестве
облучателя этих антенн могут использоваться как линейные
МЧАР, так и решетки с растровым сканированием ДН.
В четвертой главе показана возможность создания РЛС на осно-
ве МЧАР с формированием сигнального портрета лоцируемого
объекта. Исследована возможность использования методов нели-
нейной обработки сигналов приемо-передающих МЧАР для сниже-
ния уровня боковых лепестков в ДН. Разработан метод мультипли-
кативной обработки сигналов, показана возможность его реализа-
ции в МЧАР для снижения уровня боковых лепестков в ДН
и в зондирующем сигнале. Разработаны предложения по простран-
ственному позиционированию и фазовой синхронизации приемо-
передающих элементов МАФАР, размещенных на мультикоптерах.
Список использованных источников
к введению
1. Пономарев Л.И., Степаненко В.И. Сканирующие многочастотные со-
вмещенные антенные решетки / Под ред. Л.И. Пономарева. —М.: Ра-
диотехника, 2009.
2.Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. — Нью-Йорк,
1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под ред. К.Н. Трофимова. Том 2.
Радиолокационные антенные устройства. Под ред. П. И. Дудника. —
М.: Сов. радио, 1977. — С. 199.
10 Введение
3. Вовшин Б. М. Сверхширокополосная радиолокация воздушных объ-
ектов с безынерционным обзором пространства: диссертация на соис-
кание ученой степени доктора технических наук: 05.12.14.— Москва,
2005. — 418 с.
4. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности,
необычные проблемы, системные особенности. — Вестник МГТУ,
1998, № 4. С. 128—133.
5. Иммореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сиг-
налов // Антенны, выпуск 1 (47), 2001. С. 8—16.
6. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радио-
локационных измерений. — М.: Радио и связь, 1989. —192 с.
7. Головачев М.В., Кочетов А.В., Миронов О.С., Панфилов П.С., Сары-
чев В.А., Хомяков И.М. Структура экспериментального образца
сверхширокополосного короткоимпульсного радиолокатора // II Все-
российские Армандовские чтения «Радиофизические методы в дис-
танционном зондировании сред». — Муром, 2012.
8. Быстров Р.П., Дмитриев В.Г., Потапов А.А., Перунов Ю.М., Черепенин
В.А. Электромагнитные системы и средства преднамеренного воздейст-
вия на физические и биологические объекты // РЭНСИТ: Радиоэлект-
роника. Наносистемы. Информационные технологии. — М.: изд. центр
Российской акад. естественных наук. 2014, том 6, № 2. С. 129—169.
9. Импульсная энергетика и электроника / Г.А. Месяц. — М.: Наука,
2004. — 704 с.
10. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика / А.Н. Диденко;
отв. ред. Я.Б. Данилевич. — М.: Наука, 2003. — 446 с.
11. Грехов. И.В., Месяц Г.А. Полупроводниковые наносекундные диоды
для размыкания больших токов // Успехи физических наук. 2005.
Том 175, № 7. С. 735 — 744.
12. Афанасьев А. В., Демин Ю. А., Иванов Б. В., Ильин В. А., Лучи-
нин В. В., Сергушичев К. А., Смирнов А. А., Кардо-Сысоев А. Ф. Ме-
гаваттный генератор наносекундных импульсов на основе карбидо-
кремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением // Известия
высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015, вып. 3.
13. Грехов И.В., Люблинский А.Г., Белякова Е.И. Мощный диодный на-
носекундный размыкатель тока на основе p-кремния (p-SOS) // Жур-
нал технической физики, 2016, том 86, вып. 3.
14. Смирнов А. А. Карбидокремниевые размыкатели тока и генераторы
субнаносекундных импульсов напряжения на их основе: диссертация
... кандидата технических наук: 05.27.01 / Смирнов Артем Анатолье-
вич [место защиты — Санкт-Петербургский государственный электро-
технический университет ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина)]. —
Санкт-Петербург, 2015.
Список использованных источников к введению 11
ÃËÀÂÀ 1
ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ
ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ
ÏÎËß ÌÍÎÃÎ×ÀÑÒÎÒÍÛÕ
ÀÍÒÅÍÍÛÕ ÐÅØÅÒÎÊ
ÏÐÈ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÅÍÍÎÌ
ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈÈ
ÈÌÏÓËÜÑÍÛÕ ÑÈÃÍÀËÎÂ
1.1. Формирование
последовательностей импульсных
сигналов многочастотными
антенными решетками
Возможность формирования импульсной последовательности из
отдельных спектральных компонентов, как и разложения такой по-
следовательности на отдельные спектральные компоненты, хорошо
известна (ряды Фурье). При этом новое качество получается при
излучении спектральных компонентов системой излучателей, раз-
несенных в пространстве. В результате, помимо импульсной после-
довательности, становится возможным формирование диаграммы
направленности (ДН) этой системы. Сигналы, возбуждающие эле-
менты, должны быть взаимнокогерентными, то есть формировать-
ся от общего опорного генератора. Длительность этих сигналов
должна быть не менее одного периода повторения импульсов фор-
мируемой последовательности. Такая антенная система была назва-
на многочастотной антенной решеткой (МЧАР) [1, 2].
МЧАР строится по принципу «один спектральный компонент —
один элемент антенной решетки (АР)». Схема МЧАР, приведенная на
рис. 1.1, состоит из блока формирования когерентной сетки частот
(1), излучающих элементов (2), управляемых фазовращателей (3), бло-
ка управления фазовращателями (4). Генерация взаимнокогерентных
разночастотных сигналов (дис-
кретной сетки частот) осуществ-
ляется путем их формирования
от общего опорного генератора.
Каждая последующая частота
сигнала с выхода блока форми-
рования когерентной сетки час-
тот больше предыдущей:
fn fn 1 ; n 1 N, где N — ко-
личество частот излучаемого
многочастотного (МЧ) сигнала.
Элементы решетки могут распо-
лагаться вдоль прямой линии,
находиться на плоскости или об-
разовывать конформный рас-
крыв.
Возбуждение элементов решетки разночастотными сигналами
обусловливает изменение во времени фазового распределения по
апертуре. Максимальная скорость такого изменения определяет-
ся полосой МЧ-сигнала. Очевидно, что величина интенсивности
суммарного сигнала, излучаемого МЧАР, будет зависеть как от
пространственных координат, так и от времени, что является
принципиальным отличием МЧАР от традиционных антенных
решеток.
Рассмотрим систему изо-
тропных взаимно когерентных
излучателей, занимающую про-
извольный объем, каждый эле-
мент которой излучает один
спектральный компонент МЧ-
сигнала с единичной амплиту-
дой (рис. 1.2). Введем систему
координат, центр которой сов-
падает с центром излучающей
системы. Пусть точка S(x' , y' , z' )
излучает сигнал с единич-
ной амплитудой, частотой
(x' , y' , z' ) и начальной фазой
(x' , y' , z' ).
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
13
Рис. 1.1. Структурная схема мно-
гочастотной антенной решетки
Рис. 1.2. Излучающая система из
изотропных излучателей, располо-
женная внутри объема V
Тогда при одинаковой линейной поляризации сигналов, излу-
чаемых отдельными элементами, напряженность поля в скаляр-
ном приближении в некоторой точке наблюдения P, расположен-
ной в изотропной среде, будет пропорциональна величине
E j x y z t k x y z r x y z V
V
exp( (
( ' , ' , ' ) ( ' , ' , ' ) ( ' , ' , ' ))) d , (1.1)
где k(x' , y' , z' ) — волновое число; r — расстояние между точками S
и P, которое может быть выражено в виде
r R2 R '2 2RR ' cos
, (1.2)
где R, R ' — расстояния от центра системы координат до точек P
и S соответственно;
— угол между направлениями OS и OP,
а точка O — начало координат.
Если R > R ', расстояние r может быть представлено в виде ряда
r R R
R
R
R
R
' cos
'
sin
'
cos
sin
2
2
3
3
2
2 2
. (1.3)
На основании (1.1) и (1.3) можно определить границу дальней
зоны многочастотного излучателя, задавшись максимальной вели-
чиной фазовой ошибки /8 :
Max k x y z
R
V R
( ', ', ')
'2
4
. (1.4)
В дальней зоне выражение (1.1) может быть представлено в виде
E j x y z t jk x y z R
V
exp ( ( ' , ' ' ) ) exp ( ( ' , ' ' ) ' cos )
exp (
j k(x' , y' z' )R) exp ( j (x' , y' z' )) dV.
(1.5)
Очевидно, что три последних множителя в подынтегральном
выражении определяют ДН многочастотной излучающей системы
при t = 0. Через некоторый промежуток времени dt к сигналу, из-
лучаемому каждым локальным излучателем, добавится фазовый
сдвиг, равный
(x' , y' z' ) dt, в результате чего ДН всей излучающей
области изменится. Таким образом, ДН многочастотного излуча-
теля зависит от пространственных координат и от времени. Зави-
симость ДН от времени является основным отличием МЧАР от
монохромных фазированных антенных решеток. Поэтому для
МЧАР имеет смысл говорить только о мгновенной диаграмме на-
правленности (МДН), существующей в течение времени когерент-
ности. В течение этого времени, которое обратно пропорциональ-
14 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
но ширине полосы многочастотного сигнала, параметры МЧАР
будем считать установившимися, следовательно, основные харак-
теристики антенны можно определить исходя из геометрии антен-
ны и средней частоты многочастотного сигнала по соотношениям,
полученным для традиционных ФАР. Поэтому МЧАР отличаются
от традиционных ФАР временем когерентности, которое для тра-
диционных ФАР практически не ограничено.
В случае плоской излучающей системы первый, третий и чет-
вертый множители подынтегрального выражения (1.5) определя-
ют зависимость амплитуды и фазы сигнала от времени в точ-
ке наблюдения, расположенной на расстоянии по нормали
к плоскости излучателя. При изменении угла
каждый спек-
тральный компонент сигнала получает сдвиг фазы, равный
k(x' , y' , z' )R cos
. То есть форма огибающей сигнала меняется
в зависимости от направления, в котором происходит излучение.
Поэтому полную характеристику последовательностей импульс-
ных сигналов, сформированных МЧАР, дают только пространст-
венно-временное распределение (ПВР) и пространственное рас-
пределение (ПР) интенсивности или напряженности электромаг-
нитного поля.
ПВР — это зависимость величины интенсивности или напря-
женности сигнала, излучаемого МЧАР, от азимутального угла и от
времени на окружности радиу-
са, причем центр излучающей
апертуры совпадает с центром
этой окружности.
ПР — это зависимость ин-
тенсивности или напряженно-
сти сигнала, излучаемого
МЧАР, от угла и расстояния от
апертуры в фиксированный мо-
мент времени.
Для примера рассмотрим ли-
нейную МЧАР с эквидистант-
ной расстановкой элементов
и линейным изменением часто-
ты вдоль ее раскрыва, состоя-
щую из изотропных элементов
(рис. 1.3). Каждый элемент
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
15
Рис. 1.3. Линейная эквидистант-
ная МЧАР с линейным изменени-
ем частоты вдоль ее раскрыва
этой решетки излучает сигнал с частотой
n
n
1 ( 1) , где
n — номер элемента n 1...N;
1 2 f1— циклическая частота
сигнала, излучаемого первым элементом;
2 f — дискрет
циклической частоты спектра. Лучи, исходящие из элементов ре-
шетки к точке наблюдения, находящейся в дальней зоне антенны,
будем считать параллельными (рассматриваем поле решетки
в зоне Фраунгофера).
Расстояние от n-го элемента решетки до точки наблюдения
можно определить как rn r n d 1 ( 1) 1 sin , где r1— расстояние
от 1-го элемента решетки до точки наблюдения, d1 — расстояние
между соседними элементами, — угол между нормалью к оси
решетки и направлением на точку наблюдения. Будем считать, что
все излучатели создают в точке наблюдения сигнал с одинаковой
амплитудой — E1.Тогда напряженность поля в точке наблюдения
может быть представлена в виде
E E j n t k k n r n d 1 1 1 1 1 exp( [(
( 1)) ( ( 1))( ( 1) sin )] )
n
N
1
, (1.6)
где k1 — волновое число сигнала, излучаемого 1-м элементом;
k
c
— дискрет волнового числа.
Выражение (1.6) можно преобразовать в выражение (1.7):
E E j t kr j n t kn r
n
N
1 1 1 1
1
1 exp( (
)) exp[ {
( 1) ( 1)
k n d k n d 1 1
2
1 ( 1) sin ( 1) sin }].
(1.7)
При узкополосном сигнале ширина полосы излучаемых час-
тот
(N 1) много меньше самой низкой частоты спектра
1 ,
то есть k(N 1) K k1, поэтому четвертым слагаемым в выраже-
нии 1.7, стоящим в квадратных скобках, можно пренебречь:
E E j t kr jn t kr kd
n
N
1 1 1 1
1
1 11 exp( (
)) exp( ( 1)[
sin ]). (1.8)
Выполнив ряд преобразований, которые производятся, при
выводе множителя линейной одночастотной решетки, например
в [3], получим:
16 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
E E j t kr kD N
N
t
1 0 0
1
2
2
exp sin
sin (
kr k d
t kr kd
0 1
0 1
1
2
sin )
sin ( sin )
,
(1.9)
где
0 1
1
2
N
— центральная (средняя) циклическая час-
тота спектра;k k k
N
0 1
1
2
— волновое число на центральной
(средней) частоте спектра;r r d
N
1 1
1
2
— расстояние от центра
решетки до точки наблюдения; D d N 1 ( 1) — размер решетки.
Выражение под знаком экспоненты определяет фазу сигнала
в точке наблюдения, а амплитуду определяет множитель узкопо-
лосной МЧАР, который является функцией трех переменных (угла
, расстояния r и времени t) в отличие от монохромных решеток,
у которых множитель является только функцией от угла . В тео-
рии антенн, как правило, используют нормированное абсолютное
значение множителя решетки:
f r t
N
t kr kd
N t
( , , )
sin ( sin )
sin (
2
1
2
0 1
kr k d
!
!
!!!
!
!
!!!
0 1 sin )
. (1.10)
Вводя для фиксированной дальности обозначение для разно-
сти фаз между соседними элементами МЧАР — "(r rconst , t)
= krconst t
, получим классическую форму для множителя ли-
нейной эквидистантной (равномерной) решетки [3]:
f r r t
N
k d r r t
const
const
( , , )
sin ( sin ( , ))
2 0 1 "
!
!
!!!
!
!
!!!
N sin (k d sin (r rconst, t))
1
2 0 1 "
. (1.11)
Однако в отличие от множителя моночастотной решетки мно-
житель МЧАР является функцией от времени "(r rconst ,t) . Имен-
но поэтому мы говорим о МДН — диаграмме направленности
в фиксированный момент времени f ( , r rconst , t tconst ) . Более
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
17
того, в фиксированный момент времени tconst МДН зависит от
дальности, поэтому полное описание поля МЧАР дает только ПР,
которое может быть представлено в виде функции двух координат
(угла и дальности) в момент времени tconst — f ( , r, t tconst ) , при
этом формула (1.11) описывает ПВР — f ( , r rconst ,t) .
Ширина главного лепестка МДН узкополосной МЧАР по
уровню половинной мощности при большом количестве элемен-
тов может быть рассчитана с помощью выражения [3]
0,886 0
sin
#
D
, (1.12)
где #0 — длина волны средней частоты МЧ-сигнала.
В точке пространства с полярными координатами (r0 , 0 )
МЧАР формирует импульсный сигнал с огибающей вида
f t
N
t
N t
( , )
sin ( )
sin ( )
$
$
!
!
!!!
!
2
1
2
!
!!!
, (1.13)
где $ kr0 k0d1 sin 0 .
Длительность импульса по уровню половинной мощности со-
ставит t
N N f F и
0 886
2
1
0 886
1
1
0 886
1
,
( )
,
( )
,
, где F —
ширина спектра при периоде огибающей T
f
2 1
.
На рис. 1.4 (а—д) представлены МДН в зоне Фраунгофера на
дальности 1000 м в различные моменты времени для МЧАР, излу-
чающей сигнал в диапазоне частот 9950—10050 МГц и состоящей
из 21 элемента с расстоянием между соседними элементами
0,015 м (половина средней длины волны). Из рисунка видно, что
происходит автоэлектронное сканирование МДН, по другой тер-
минологии, МЧАР осуществляет безынерционный обзор про-
странства [4]. Очевидно, что период сканирования равен периоду
формируемого сигнала T = 200 нс.
Определим скорость автоэлектронного сканирования. Функ-
ция (1.10) имеет максимум при k0d1 sin k r
t. Дифферен-
цируя обе части равенства по времени, получаем выражение для
скорости сканирования максимума МДН (скорости изменения по-
ложения максимума в пространстве) —Vск :
18 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
d
dt
k d
0 1 cos
,
V
d
dt k d
c
D ск
0 1 cos cos
[рад/с], (1.14)
где
F
F0
— относительная ширина полосы частот МЧ-сигнала;
F0 — средняя частота спектра. Знак «минус» в выражении (1.14)
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
19
Рис. 1.4. Мгновенная диаграмма направленности МЧАР в различ-
ные моменты времени: а) t = 0; б) t = 40 нс; в) 80 нс;
г) 100 нс; д) 120 нс; е) 160 нс
показывает, что сканирование
происходит в направлении,
противоположном направле-
нию возрастания частоты
вдоль раскрыва МЧАР. Ско-
рость сканирования может до-
стигать значительных вели-
чин. Так, для рассматриваемой
решетки при относительной
ширине полосы частот всего
0,01 (узкополосный сигнал)
скорость сканирования на
нормали к оси решетки рав-
на 107 рад/c.
Огибающая сигнала рас-
сматриваемой МЧАР в тече-
ние двух периодов в точке, ле-
жащей на нормали к оси
решетки, проходящей через
центр решетки, в зоне Фраун-
гофера на дальности 1000 м
показана на рис. 1.5.
На рис. 1.6 показано ПР
в момент времени t0 = 0 в диа-
пазоне углов = ±0,6 рад
и диапазоне дальностей 970—
1030 м.
На рис. 1.7 показано ПВР
на дальности r0 = 1000 м
в диапазоне углов = ±0,6 рад
и диапазоне времен t =
= ±100 нс.
Выражение (1.11) имеет
максимумы при
t kr +
k0d1 sin = 2 i C, где i —
целое число, C — постоянная
величина. Таким образом,
максимумы ПР (t tconst )
и ПВР (r rconst ) образуют
20 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
Рис. 1.5. Огибающая сигнала МЧАР
Рис. 1.7. Пространственно-времен-
ное распределение напряженности
сигнала МЧАР
Рис. 1.6. Пространственное распреде-
ление напряженности сигнала МЧАР
семейства синусоид, что показано на рис. 1.8 (а, б) для ПР
и рис. 1.9 (а, б) для ПВР в изометрии и в изолиниях (линиях
одинакового уровня) на дальности r0 = 1000 м в диапазоне углов
±р от нормали к оси решетки. Для того чтобы получить макси-
мум сигнала на нормали к оси решетки, проведенной через
центр решетки ( = 0), требуется ввести сдвиг фаз между сосед-
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
21
Рис. 1.9. ПВР МЧАР: а) в виде поверхности; б) в виде изолиний
Рис. 1.8. ПР МЧАР: а) в виде поверхности; б) в виде изолиний
ними элементами 0 kr С. Тогда в числителе и знаменате-
ле (1.11) под знаком синуса следует использовать выражение
t kr k d 0 1 sin 0 .
При узкополосном сигнале можно считать, что диаграмма на-
правленности каждого n-го элемента решетки Fýë n ( ,
) практиче-
ски не зависит от частоты и равна парциальной ДН элемента на
средней частоте спектра Fýë( ,
) 0 .
В результате исследований установлено, что поле линейной эк-
видистантной МЧАР в дальней зоне при узкополосном сигнале, как
и поле решетки, работающей в монохроматическом режиме, можно
рассчитать как произведение множителя решетки (1.11) на ДН одно-
го элемента МЧАР на средней частоте МЧ-сигнала Fэл ( ,
) 0 .
1.2. Структура поля многочастотных
антенных решеток в зонах
Фраунгофера и Френеля
1.2.1. Математическая модель для расчета
поля МЧАР
Приведенные в первой главе выражения для расчета поля МЧАР,
которые используются в теории антенных решеток, позволяют по-
нять механизм формирования сигнала МЧАР и оценить скорость
автоэлектронного сканирования ДН. Однако они описывают част-
ный случай архитектуры МЧАР — линейную решетку, работающую
в узкой полосе частот, с эквидистантной расстановкой элементов
и линейным изменением частоты вдоль раскрыва. В общем случае
для расчета поля МЧАР требуется использовать численные методы.
Напряженность поля, формируемого монохромной или узко-
полосной антенной в полярных координатах, может быть пред-
ставлена в виде [5]
E H A
e
r
F
jkr
120 ( , %),
где H — напряженность магнитного поля; r, ,% — полярные коор-
динаты; k 2
#
— волновое число; # — длина волны; A khд I 30 —
В настоящее время антенные решетки (АР) являются наиболее
распространенным и быстро развивающимся типом антенных сис-
тем, используемых в современных радиоэлектронных средствах
(РЭС). По мере расширения перечня задач, стоящих перед разра-
ботчиками РЭС, таких как высокоскоростной обзор пространства,
реализация широкоугольного сканирования диаграммы направ-
ленности (ДН) при излучении сверхширокополосных (СШП)
и сверхкороткоимпульсных (СКИ) сигналов, а также генерация
мощных (до сотен мегаватт) ШП- и СШП-радиоимпульсов,
предъявляются новые требования к антенным системам. Возмож-
ности существующих АР не позволяют обеспечить эффективное
решение указанных задач.
Используемый в настоящее время термин «многочастотные
антенные решетки», как правило, связан с размещением разночас-
тотных решеток в одном излучающем раскрыве. Такие решетки
также называют совмещенными или многочастотными совмещен-
ными [1]. Их характерной особенностью является независимое
формирование ДН на каждой частоте. В книге представлены мно-
гочастотные антенные решетки (МЧАР) и устройства на их основе,
разработанные авторами. В отличие от совмещенных антенных
решеток эти решетки построены по принципу «один излуча-
тель — одна спектральная компонента многочастотного (МЧ) сиг-
нала», поэтому основные параметры МЧАР являются функциями
пространственных координат и времени, что является принципиа-
льным отличием МЧАР от традиционных антенных решеток. Ско-
рость изменения параметров МЧАР во времени определяется мак-
симальной шириной полосы МЧ-сигнала. Это свойство МЧАР обу-
славливает возможность реализации высокоскоростного сканирова-
ния ДН, а также возможность совместить функции излучающей
системы и пространственного ШП и СШП импульсного модулято-
ра. Такое построение является возможной альтернативой существу-
ющим способам генерации и излучения ШП- и СШП-сигналов.
В книге также показана принципиальная возможность создания
устройств формирования мощных (до единиц гигаватт) импульсных
сигналов, перспективных РЛС с СШП-сигналами и устройств для
высокоскоростного обзора пространства на основе МЧАР.
Следует отметить, что линейные эквидистантные решетки
с разночастотными сигналами применялись для реализации элект-
ронного сканирования в приемной антенной системе, созданной
в рамках проекта MOSAR [2] (Modulation Scanned Array — решет-
ка с модуляционным сканированием) фирмы General Electric и ра-
боты по сверхбыстрому обзору пространства с использованием
пространственно-многоканальных линейных антенных систем [3].
Однако в этих работах показана возможность сканирования ДН
только в одной плоскости, а проблемы формирования излучения
ШП- и СШП-сигналов не рассматривались.
Для определения СШП-сигналов в книге использовано опре-
деление, введенное в [4], в соответствии c этим определением
к СШП относятся системы и сигналы, для которых выполняется
неравенство 0,25 1, которое определяется как
f f
f f
â í
â í
, (1)
где f â и f í — верхняя и нижняя границы полосы частот. В случае
если 0,01 0,25, сигналы являются широкополосными (ШП),
если 0,01 — узкополосными [4]. Из этого определения следует,
что системы, излучающие короткие радиоимпульсы с частотой
заполнения, в несколько раз превышающей ширину спектра, яв-
ляются узкополосными. Однако такие системы обладают практи-
чески всеми свойствами СШП-систем, поэтому такие системы
и сигналы в литературе называют короткоимпульсными или
сверхкороткоимпульсными [5]. Импульсный СШП-сигнал пред-
ставляет собой короткий импульс без высокочастотного заполне-
ния (СКИ, видеоимпульс) или короткий отрезок периодического
колебания, состоящий из одного-трех периодов. Иногда такие
сигналы называют сигналами без несущей частоты.
Традиционно для классификации этих сигналов использова-
лось понятие относительной ширины полосы частот:
f f
f
â í
0
, (2)
гдеf f f 0 â í ( ) / 2 — центральная частота спектра сигнала, кото-
рая для СШП-сигналов сравнима с полосой сигнала f f â í [6].
Введение 7
Для узкополосных и ШП-радиосигналов f0 имеет смысл несущей
частоты. Переходя от выражения (1) к выражению (2), можно счи-
тать сигналы, для которых выполняется неравенство 0,02, узко-
полосными, 0,02 0,5 — широкополосными, 0,5 2 —
сверхширокополосными.
СКИ-сигналы могут использоваться в системах радиолокации,
позволяющих идентифицировать объекты, находящиеся под по-
кровом листвы и под поверхностью земли, в средствах скрытой
и помехоустойчивой радиосвязи и контроля окружающего про-
странства. Для средств связи, построенных на основе СКИ, харак-
терна совместимость с обычными средствами связи и существенно
меньшая экологическая нагрузка на окружающую среду.
Использование мощных импульсных СШП- и СКИ-сигналов
позволит обеспечить качественный скачок в развитии радиолока-
ционных систем с формированием портретов лоцируемых объек-
тов, а также систем радиоэлектронного подавления (РЭП).
Актуальность СШП- и СКИ-проблематики можно подчеркнуть
часто цитируемым заключением американских специалистов:
«Страна, первой вышедшая на широкое применение технологий
сверхширокополосной короткоимпульсной электродинамики, по-
лучит качественное преимущество перед другими» [7].
Для генерации мощных ШП-, СШП- и СКИ-сигналов могут
использоваться различные приборы, как традиционные, электро-
вакуумные и твердотельные [8, 9, 11, 13, 14], так и релятивистские
[8, 9]), а также приборы на основе взрывомагнитных генераторов
[8]. При этом увеличение мощности и уменьшение длительности
импульса может достигаться применением метода компрессии,
при котором энергия генератора, накопленная в резонаторе, выво-
дится в фидер с помощью коммутатора за время, меньшее време-
ни накопления. Компрессия импульсов применяется как для ваку-
умных приборов [10], так и для твердотельных [12, 14].
Следует отметить ряд общих проблем использования СШП-
и СКИ-генераторов в современных РЭС. Во-первых, это проблема
согласования генераторов с антенной в сверхширокой полосе час-
тот. Во-вторых, проблема электромагнитной совместимости
(ЭМС) с собственными РЭС, обусловленная случайным спектром
импульсных сигналов и высоким уровнем внеполосного излуче-
ния на выходе релятивистских приборов и генераторов СКИ-ви-
деоимпульсов.
8 Введение
Применение МЧАР позволяет решить проблему согласования
генератора (усилителя) с антенной при формировании СШП-
и СКИ-импульсов и обеспечить решение задачи ЭМС, так как для
генерации последовательностей импульсов используются взаимно
когерентные генераторы с детерминированным спектром.
В первой главе приведены результаты исследований структуры
электромагнитного поля многочастотных антенных решеток при
пространственном формировании импульсных сигналов в зоне Фра-
унгофера, а также особенностей структуры поля в зоне Френеля. Ис-
следовано влияние ширины полосы сигнала на скорость автоэлект-
ронного сканирования мгновенной диаграммы направленности
(МДН) линейной МЧАР, сферичность волнового фронта и положе-
ние фазового центра. Авторами разработана прямоугольная МЧАР
с растровым сканированием МДН, которая позволяет реализовать
двухкоординатное автоэлектронное сканирование ДН и обеспечить
равномерную засветку сектора пространства. Показана возможность
пространственного формирования СШП импульсных сигналов ли-
нейными, плоскими и конформными МЧАР со случайным распре-
делением частот сигналов по элементам апертуры.
Во второй главе показана возможность формирования мощных
радиоимпульсов методом пространственно-временного преобразо-
вания (ПВП) многочастотного сигнала. Метод предполагает осуще-
ствлять накопление энергии в линиях задержки в течение времени
сканирования ДН с последующим излучением этой энергии за вре-
мя, определяемое шириной спектра излучаемого импульса, то есть
шириной спектра МЧАР. Максимальный коэффициент накопле-
ния равен отношению периода сканирования к ширине главного
лепестка диаграммы направленности. Приведены результаты экспе-
риментальных исследований метода ПВП, в частности результаты
измерения величины потерь энергии при преобразовании, получен-
ные калориметрическим методом на высоком уровне мощности.
Третья глава посвящена практической реализации устройств на
основе МЧАР и пространственно-временных преобразователей
МЧ-сигнала.
Показана возможность применения МЧАР в радиотехнических
системах, в частности в крупноапертурном инжекторе плазмы, эк-
спериментальном макете МЧАР со случайным распределением ча-
стот сигналов по элементам апертуры и устройстве с высокоско-
ростным растровым сканированием ДН, предназначенным для
Введение 9
обзора пространства и постановки заградительной по пространст-
ву помехи.
Разработаны предложения по применению различных конст-
рукций пространственно-временных преобразователей в устройст-
вах формирования мощных ШП и СШП импульсных сигналов,
в частности в экспериментальном образце пространственно-вре-
менного преобразователя с H-секториальным сверхразмерным
волноводом. Предложены различные конструкции пространствен-
но-временных преобразователей: на основе ФАР отражательного
типа; с использованием МЧАР с растровым сканированием; а так-
же вариант использования пространственно-временного преобра-
зователя в качестве облучателя крупноапертурной двухзеркальной
антенны. Для формирования СШП-радиоимпульсов разработаны
устройства на основе зонированных зеркальных антенн с накопи-
телем энергии на пространственных линиях задержки. В качестве
облучателя этих антенн могут использоваться как линейные
МЧАР, так и решетки с растровым сканированием ДН.
В четвертой главе показана возможность создания РЛС на осно-
ве МЧАР с формированием сигнального портрета лоцируемого
объекта. Исследована возможность использования методов нели-
нейной обработки сигналов приемо-передающих МЧАР для сниже-
ния уровня боковых лепестков в ДН. Разработан метод мультипли-
кативной обработки сигналов, показана возможность его реализа-
ции в МЧАР для снижения уровня боковых лепестков в ДН
и в зондирующем сигнале. Разработаны предложения по простран-
ственному позиционированию и фазовой синхронизации приемо-
передающих элементов МАФАР, размещенных на мультикоптерах.
Список использованных источников
к введению
1. Пономарев Л.И., Степаненко В.И. Сканирующие многочастотные со-
вмещенные антенные решетки / Под ред. Л.И. Пономарева. —М.: Ра-
диотехника, 2009.
2.Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. — Нью-Йорк,
1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под ред. К.Н. Трофимова. Том 2.
Радиолокационные антенные устройства. Под ред. П. И. Дудника. —
М.: Сов. радио, 1977. — С. 199.
10 Введение
3. Вовшин Б. М. Сверхширокополосная радиолокация воздушных объ-
ектов с безынерционным обзором пространства: диссертация на соис-
кание ученой степени доктора технических наук: 05.12.14.— Москва,
2005. — 418 с.
4. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности,
необычные проблемы, системные особенности. — Вестник МГТУ,
1998, № 4. С. 128—133.
5. Иммореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сиг-
налов // Антенны, выпуск 1 (47), 2001. С. 8—16.
6. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радио-
локационных измерений. — М.: Радио и связь, 1989. —192 с.
7. Головачев М.В., Кочетов А.В., Миронов О.С., Панфилов П.С., Сары-
чев В.А., Хомяков И.М. Структура экспериментального образца
сверхширокополосного короткоимпульсного радиолокатора // II Все-
российские Армандовские чтения «Радиофизические методы в дис-
танционном зондировании сред». — Муром, 2012.
8. Быстров Р.П., Дмитриев В.Г., Потапов А.А., Перунов Ю.М., Черепенин
В.А. Электромагнитные системы и средства преднамеренного воздейст-
вия на физические и биологические объекты // РЭНСИТ: Радиоэлект-
роника. Наносистемы. Информационные технологии. — М.: изд. центр
Российской акад. естественных наук. 2014, том 6, № 2. С. 129—169.
9. Импульсная энергетика и электроника / Г.А. Месяц. — М.: Наука,
2004. — 704 с.
10. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика / А.Н. Диденко;
отв. ред. Я.Б. Данилевич. — М.: Наука, 2003. — 446 с.
11. Грехов. И.В., Месяц Г.А. Полупроводниковые наносекундные диоды
для размыкания больших токов // Успехи физических наук. 2005.
Том 175, № 7. С. 735 — 744.
12. Афанасьев А. В., Демин Ю. А., Иванов Б. В., Ильин В. А., Лучи-
нин В. В., Сергушичев К. А., Смирнов А. А., Кардо-Сысоев А. Ф. Ме-
гаваттный генератор наносекундных импульсов на основе карбидо-
кремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением // Известия
высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015, вып. 3.
13. Грехов И.В., Люблинский А.Г., Белякова Е.И. Мощный диодный на-
носекундный размыкатель тока на основе p-кремния (p-SOS) // Жур-
нал технической физики, 2016, том 86, вып. 3.
14. Смирнов А. А. Карбидокремниевые размыкатели тока и генераторы
субнаносекундных импульсов напряжения на их основе: диссертация
... кандидата технических наук: 05.27.01 / Смирнов Артем Анатолье-
вич [место защиты — Санкт-Петербургский государственный электро-
технический университет ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина)]. —
Санкт-Петербург, 2015.
Список использованных источников к введению 11
ÃËÀÂÀ 1
ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ
ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ
ÏÎËß ÌÍÎÃÎ×ÀÑÒÎÒÍÛÕ
ÀÍÒÅÍÍÛÕ ÐÅØÅÒÎÊ
ÏÐÈ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÅÍÍÎÌ
ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈÈ
ÈÌÏÓËÜÑÍÛÕ ÑÈÃÍÀËÎÂ
1.1. Формирование
последовательностей импульсных
сигналов многочастотными
антенными решетками
Возможность формирования импульсной последовательности из
отдельных спектральных компонентов, как и разложения такой по-
следовательности на отдельные спектральные компоненты, хорошо
известна (ряды Фурье). При этом новое качество получается при
излучении спектральных компонентов системой излучателей, раз-
несенных в пространстве. В результате, помимо импульсной после-
довательности, становится возможным формирование диаграммы
направленности (ДН) этой системы. Сигналы, возбуждающие эле-
менты, должны быть взаимнокогерентными, то есть формировать-
ся от общего опорного генератора. Длительность этих сигналов
должна быть не менее одного периода повторения импульсов фор-
мируемой последовательности. Такая антенная система была назва-
на многочастотной антенной решеткой (МЧАР) [1, 2].
МЧАР строится по принципу «один спектральный компонент —
один элемент антенной решетки (АР)». Схема МЧАР, приведенная на
рис. 1.1, состоит из блока формирования когерентной сетки частот
(1), излучающих элементов (2), управляемых фазовращателей (3), бло-
ка управления фазовращателями (4). Генерация взаимнокогерентных
разночастотных сигналов (дис-
кретной сетки частот) осуществ-
ляется путем их формирования
от общего опорного генератора.
Каждая последующая частота
сигнала с выхода блока форми-
рования когерентной сетки час-
тот больше предыдущей:
fn fn 1 ; n 1 N, где N — ко-
личество частот излучаемого
многочастотного (МЧ) сигнала.
Элементы решетки могут распо-
лагаться вдоль прямой линии,
находиться на плоскости или об-
разовывать конформный рас-
крыв.
Возбуждение элементов решетки разночастотными сигналами
обусловливает изменение во времени фазового распределения по
апертуре. Максимальная скорость такого изменения определяет-
ся полосой МЧ-сигнала. Очевидно, что величина интенсивности
суммарного сигнала, излучаемого МЧАР, будет зависеть как от
пространственных координат, так и от времени, что является
принципиальным отличием МЧАР от традиционных антенных
решеток.
Рассмотрим систему изо-
тропных взаимно когерентных
излучателей, занимающую про-
извольный объем, каждый эле-
мент которой излучает один
спектральный компонент МЧ-
сигнала с единичной амплиту-
дой (рис. 1.2). Введем систему
координат, центр которой сов-
падает с центром излучающей
системы. Пусть точка S(x' , y' , z' )
излучает сигнал с единич-
ной амплитудой, частотой
(x' , y' , z' ) и начальной фазой
(x' , y' , z' ).
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
13
Рис. 1.1. Структурная схема мно-
гочастотной антенной решетки
Рис. 1.2. Излучающая система из
изотропных излучателей, располо-
женная внутри объема V
Тогда при одинаковой линейной поляризации сигналов, излу-
чаемых отдельными элементами, напряженность поля в скаляр-
ном приближении в некоторой точке наблюдения P, расположен-
ной в изотропной среде, будет пропорциональна величине
E j x y z t k x y z r x y z V
V
exp( (
( ' , ' , ' ) ( ' , ' , ' ) ( ' , ' , ' ))) d , (1.1)
где k(x' , y' , z' ) — волновое число; r — расстояние между точками S
и P, которое может быть выражено в виде
r R2 R '2 2RR ' cos
, (1.2)
где R, R ' — расстояния от центра системы координат до точек P
и S соответственно;
— угол между направлениями OS и OP,
а точка O — начало координат.
Если R > R ', расстояние r может быть представлено в виде ряда
r R R
R
R
R
R
' cos
'
sin
'
cos
sin
2
2
3
3
2
2 2
. (1.3)
На основании (1.1) и (1.3) можно определить границу дальней
зоны многочастотного излучателя, задавшись максимальной вели-
чиной фазовой ошибки /8 :
Max k x y z
R
V R
( ', ', ')
'2
4
. (1.4)
В дальней зоне выражение (1.1) может быть представлено в виде
E j x y z t jk x y z R
V
exp ( ( ' , ' ' ) ) exp ( ( ' , ' ' ) ' cos )
exp (
j k(x' , y' z' )R) exp ( j (x' , y' z' )) dV.
(1.5)
Очевидно, что три последних множителя в подынтегральном
выражении определяют ДН многочастотной излучающей системы
при t = 0. Через некоторый промежуток времени dt к сигналу, из-
лучаемому каждым локальным излучателем, добавится фазовый
сдвиг, равный
(x' , y' z' ) dt, в результате чего ДН всей излучающей
области изменится. Таким образом, ДН многочастотного излуча-
теля зависит от пространственных координат и от времени. Зави-
симость ДН от времени является основным отличием МЧАР от
монохромных фазированных антенных решеток. Поэтому для
МЧАР имеет смысл говорить только о мгновенной диаграмме на-
правленности (МДН), существующей в течение времени когерент-
ности. В течение этого времени, которое обратно пропорциональ-
14 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
но ширине полосы многочастотного сигнала, параметры МЧАР
будем считать установившимися, следовательно, основные харак-
теристики антенны можно определить исходя из геометрии антен-
ны и средней частоты многочастотного сигнала по соотношениям,
полученным для традиционных ФАР. Поэтому МЧАР отличаются
от традиционных ФАР временем когерентности, которое для тра-
диционных ФАР практически не ограничено.
В случае плоской излучающей системы первый, третий и чет-
вертый множители подынтегрального выражения (1.5) определя-
ют зависимость амплитуды и фазы сигнала от времени в точ-
ке наблюдения, расположенной на расстоянии по нормали
к плоскости излучателя. При изменении угла
каждый спек-
тральный компонент сигнала получает сдвиг фазы, равный
k(x' , y' , z' )R cos
. То есть форма огибающей сигнала меняется
в зависимости от направления, в котором происходит излучение.
Поэтому полную характеристику последовательностей импульс-
ных сигналов, сформированных МЧАР, дают только пространст-
венно-временное распределение (ПВР) и пространственное рас-
пределение (ПР) интенсивности или напряженности электромаг-
нитного поля.
ПВР — это зависимость величины интенсивности или напря-
женности сигнала, излучаемого МЧАР, от азимутального угла и от
времени на окружности радиу-
са, причем центр излучающей
апертуры совпадает с центром
этой окружности.
ПР — это зависимость ин-
тенсивности или напряженно-
сти сигнала, излучаемого
МЧАР, от угла и расстояния от
апертуры в фиксированный мо-
мент времени.
Для примера рассмотрим ли-
нейную МЧАР с эквидистант-
ной расстановкой элементов
и линейным изменением часто-
ты вдоль ее раскрыва, состоя-
щую из изотропных элементов
(рис. 1.3). Каждый элемент
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
15
Рис. 1.3. Линейная эквидистант-
ная МЧАР с линейным изменени-
ем частоты вдоль ее раскрыва
этой решетки излучает сигнал с частотой
n
n
1 ( 1) , где
n — номер элемента n 1...N;
1 2 f1— циклическая частота
сигнала, излучаемого первым элементом;
2 f — дискрет
циклической частоты спектра. Лучи, исходящие из элементов ре-
шетки к точке наблюдения, находящейся в дальней зоне антенны,
будем считать параллельными (рассматриваем поле решетки
в зоне Фраунгофера).
Расстояние от n-го элемента решетки до точки наблюдения
можно определить как rn r n d 1 ( 1) 1 sin , где r1— расстояние
от 1-го элемента решетки до точки наблюдения, d1 — расстояние
между соседними элементами, — угол между нормалью к оси
решетки и направлением на точку наблюдения. Будем считать, что
все излучатели создают в точке наблюдения сигнал с одинаковой
амплитудой — E1.Тогда напряженность поля в точке наблюдения
может быть представлена в виде
E E j n t k k n r n d 1 1 1 1 1 exp( [(
( 1)) ( ( 1))( ( 1) sin )] )
n
N
1
, (1.6)
где k1 — волновое число сигнала, излучаемого 1-м элементом;
k
c
— дискрет волнового числа.
Выражение (1.6) можно преобразовать в выражение (1.7):
E E j t kr j n t kn r
n
N
1 1 1 1
1
1 exp( (
)) exp[ {
( 1) ( 1)
k n d k n d 1 1
2
1 ( 1) sin ( 1) sin }].
(1.7)
При узкополосном сигнале ширина полосы излучаемых час-
тот
(N 1) много меньше самой низкой частоты спектра
1 ,
то есть k(N 1) K k1, поэтому четвертым слагаемым в выраже-
нии 1.7, стоящим в квадратных скобках, можно пренебречь:
E E j t kr jn t kr kd
n
N
1 1 1 1
1
1 11 exp( (
)) exp( ( 1)[
sin ]). (1.8)
Выполнив ряд преобразований, которые производятся, при
выводе множителя линейной одночастотной решетки, например
в [3], получим:
16 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
E E j t kr kD N
N
t
1 0 0
1
2
2
exp sin
sin (
kr k d
t kr kd
0 1
0 1
1
2
sin )
sin ( sin )
,
(1.9)
где
0 1
1
2
N
— центральная (средняя) циклическая час-
тота спектра;k k k
N
0 1
1
2
— волновое число на центральной
(средней) частоте спектра;r r d
N
1 1
1
2
— расстояние от центра
решетки до точки наблюдения; D d N 1 ( 1) — размер решетки.
Выражение под знаком экспоненты определяет фазу сигнала
в точке наблюдения, а амплитуду определяет множитель узкопо-
лосной МЧАР, который является функцией трех переменных (угла
, расстояния r и времени t) в отличие от монохромных решеток,
у которых множитель является только функцией от угла . В тео-
рии антенн, как правило, используют нормированное абсолютное
значение множителя решетки:
f r t
N
t kr kd
N t
( , , )
sin ( sin )
sin (
2
1
2
0 1
kr k d
!
!
!!!
!
!
!!!
0 1 sin )
. (1.10)
Вводя для фиксированной дальности обозначение для разно-
сти фаз между соседними элементами МЧАР — "(r rconst , t)
= krconst t
, получим классическую форму для множителя ли-
нейной эквидистантной (равномерной) решетки [3]:
f r r t
N
k d r r t
const
const
( , , )
sin ( sin ( , ))
2 0 1 "
!
!
!!!
!
!
!!!
N sin (k d sin (r rconst, t))
1
2 0 1 "
. (1.11)
Однако в отличие от множителя моночастотной решетки мно-
житель МЧАР является функцией от времени "(r rconst ,t) . Имен-
но поэтому мы говорим о МДН — диаграмме направленности
в фиксированный момент времени f ( , r rconst , t tconst ) . Более
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
17
того, в фиксированный момент времени tconst МДН зависит от
дальности, поэтому полное описание поля МЧАР дает только ПР,
которое может быть представлено в виде функции двух координат
(угла и дальности) в момент времени tconst — f ( , r, t tconst ) , при
этом формула (1.11) описывает ПВР — f ( , r rconst ,t) .
Ширина главного лепестка МДН узкополосной МЧАР по
уровню половинной мощности при большом количестве элемен-
тов может быть рассчитана с помощью выражения [3]
0,886 0
sin
#
D
, (1.12)
где #0 — длина волны средней частоты МЧ-сигнала.
В точке пространства с полярными координатами (r0 , 0 )
МЧАР формирует импульсный сигнал с огибающей вида
f t
N
t
N t
( , )
sin ( )
sin ( )
$
$
!
!
!!!
!
2
1
2
!
!!!
, (1.13)
где $ kr0 k0d1 sin 0 .
Длительность импульса по уровню половинной мощности со-
ставит t
N N f F и
0 886
2
1
0 886
1
1
0 886
1
,
( )
,
( )
,
, где F —
ширина спектра при периоде огибающей T
f
2 1
.
На рис. 1.4 (а—д) представлены МДН в зоне Фраунгофера на
дальности 1000 м в различные моменты времени для МЧАР, излу-
чающей сигнал в диапазоне частот 9950—10050 МГц и состоящей
из 21 элемента с расстоянием между соседними элементами
0,015 м (половина средней длины волны). Из рисунка видно, что
происходит автоэлектронное сканирование МДН, по другой тер-
минологии, МЧАР осуществляет безынерционный обзор про-
странства [4]. Очевидно, что период сканирования равен периоду
формируемого сигнала T = 200 нс.
Определим скорость автоэлектронного сканирования. Функ-
ция (1.10) имеет максимум при k0d1 sin k r
t. Дифферен-
цируя обе части равенства по времени, получаем выражение для
скорости сканирования максимума МДН (скорости изменения по-
ложения максимума в пространстве) —Vск :
18 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
d
dt
k d
0 1 cos
,
V
d
dt k d
c
D ск
0 1 cos cos
[рад/с], (1.14)
где
F
F0
— относительная ширина полосы частот МЧ-сигнала;
F0 — средняя частота спектра. Знак «минус» в выражении (1.14)
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
19
Рис. 1.4. Мгновенная диаграмма направленности МЧАР в различ-
ные моменты времени: а) t = 0; б) t = 40 нс; в) 80 нс;
г) 100 нс; д) 120 нс; е) 160 нс
показывает, что сканирование
происходит в направлении,
противоположном направле-
нию возрастания частоты
вдоль раскрыва МЧАР. Ско-
рость сканирования может до-
стигать значительных вели-
чин. Так, для рассматриваемой
решетки при относительной
ширине полосы частот всего
0,01 (узкополосный сигнал)
скорость сканирования на
нормали к оси решетки рав-
на 107 рад/c.
Огибающая сигнала рас-
сматриваемой МЧАР в тече-
ние двух периодов в точке, ле-
жащей на нормали к оси
решетки, проходящей через
центр решетки, в зоне Фраун-
гофера на дальности 1000 м
показана на рис. 1.5.
На рис. 1.6 показано ПР
в момент времени t0 = 0 в диа-
пазоне углов = ±0,6 рад
и диапазоне дальностей 970—
1030 м.
На рис. 1.7 показано ПВР
на дальности r0 = 1000 м
в диапазоне углов = ±0,6 рад
и диапазоне времен t =
= ±100 нс.
Выражение (1.11) имеет
максимумы при
t kr +
k0d1 sin = 2 i C, где i —
целое число, C — постоянная
величина. Таким образом,
максимумы ПР (t tconst )
и ПВР (r rconst ) образуют
20 Глава 1. Структура электромагнитного поля многочастотных
антенных решеток при пространственном формировании сигналов
Рис. 1.5. Огибающая сигнала МЧАР
Рис. 1.7. Пространственно-времен-
ное распределение напряженности
сигнала МЧАР
Рис. 1.6. Пространственное распреде-
ление напряженности сигнала МЧАР
семейства синусоид, что показано на рис. 1.8 (а, б) для ПР
и рис. 1.9 (а, б) для ПВР в изометрии и в изолиниях (линиях
одинакового уровня) на дальности r0 = 1000 м в диапазоне углов
±р от нормали к оси решетки. Для того чтобы получить макси-
мум сигнала на нормали к оси решетки, проведенной через
центр решетки ( = 0), требуется ввести сдвиг фаз между сосед-
1.1. Формирование последовательностей импульсных сигналов
многочастотными антенными решетками
21
Рис. 1.9. ПВР МЧАР: а) в виде поверхности; б) в виде изолиний
Рис. 1.8. ПР МЧАР: а) в виде поверхности; б) в виде изолиний
ними элементами 0 kr С. Тогда в числителе и знаменате-
ле (1.11) под знаком синуса следует использовать выражение
t kr k d 0 1 sin 0 .
При узкополосном сигнале можно считать, что диаграмма на-
правленности каждого n-го элемента решетки Fýë n ( ,
) практиче-
ски не зависит от частоты и равна парциальной ДН элемента на
средней частоте спектра Fýë( ,
) 0 .
В результате исследований установлено, что поле линейной эк-
видистантной МЧАР в дальней зоне при узкополосном сигнале, как
и поле решетки, работающей в монохроматическом режиме, можно
рассчитать как произведение множителя решетки (1.11) на ДН одно-
го элемента МЧАР на средней частоте МЧ-сигнала Fэл ( ,
) 0 .
1.2. Структура поля многочастотных
антенных решеток в зонах
Фраунгофера и Френеля
1.2.1. Математическая модель для расчета
поля МЧАР
Приведенные в первой главе выражения для расчета поля МЧАР,
которые используются в теории антенных решеток, позволяют по-
нять механизм формирования сигнала МЧАР и оценить скорость
автоэлектронного сканирования ДН. Однако они описывают част-
ный случай архитектуры МЧАР — линейную решетку, работающую
в узкой полосе частот, с эквидистантной расстановкой элементов
и линейным изменением частоты вдоль раскрыва. В общем случае
для расчета поля МЧАР требуется использовать численные методы.
Напряженность поля, формируемого монохромной или узко-
полосной антенной в полярных координатах, может быть пред-
ставлена в виде [5]
E H A
e
r
F
jkr
120 ( , %),
где H — напряженность магнитного поля; r, ,% — полярные коор-
динаты; k 2
#
— волновое число; # — длина волны; A khд I 30 —