Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (Устройства СВЧ и антенны. редакция Д.И. Воскресенский), страница 2

Современные устройства СВЧ с электроннымн прнборвмн н электрически управляемымн средами позволяют не толь- ко создать управляемое фазовое распределение в антенной решетке (т.е осуществить ,вкектрнческое сканирование), но и первоначально обработать поступающую информа- цию (просуммировать поля, преобразовать частоты, усилить сигнал н т.д.) непосредст- венно в СВЧ-тракте антенны, Дзльнейшее улучшение характеристик радиотехнических систем с ФАР таких, как разрешающая способность, быстродействие, пропускная способность, дальность обнаруження, помехозащищенность н др., можно обеспечить, совершенствуя методы обработки (в общем случае пространственно-временной) снгнвлоа, излучаемых и прн. нпмаемых антенной. Прн этом антенна служит первичным звеном обработки н в значи- тельной иере определяет основные характеристики всей системы.

Обычно используют далеко ие всю пнформацшо, содержащуюся в ЭМВ, падающей на остронаправленную прнемную антенну, в которой поля от отдельных излучателей суммируются в одном СВЧ-тракте. Наиболее полную информацию можно получить, обрабатывая раздельно каждый принятый антенной решеткой сигнал, т. е. Ряд выборок из пространственного распределения приходящей ЭМВ. В зависнмостн от назначения системы н требований к ее характеристикам прнменяют антенны с разлнчнымн методами обработки. Одним пз варнантов является адаптнвная антенная решетка, которую в системе обработки ра- щккнгнала можно рассматривать как динамический самонастранвмошнйся простран- ственно-временной фильтр с автоматически меняющимися характеристикой направ- ленности, частотными свойстаамн н другими параметрами. Известны также антенны с ннымн вилами обработки сигнала самонастраивающиеся, с синтезированным раскры- вом, с временной молуляцией параметров, с цифровой обработкой, с аналоговой про- странственно-временной обработкой методом когерентной оптики и т.д.

Расширение и усложнение задач, решаемых современной радиоэлектроникой, сглмулировалп в последние десятнлетня интенсивное развитие теории н техники ан- тенн, В ряле случаев антенные системы должны решать задачи получения внекоорлн- нвтной информации об отражающем обьекте, т.е. кроме дальности н угловых коорлн- нат объекта получать сведения о его массе, габаритных размерах, характеристиках вращения, вибрации и т д., н осуществлять распознавалке образов.

С освоением все более коротких волн а антенных системах появляется возможность использования го- лографических методов преобразования приходящих ЭМВ. В других задачах возникает необходимость пространственно-временной фильтрации полей источников, расположенных в зоне Френеля.

')'аким образом, применяемые на практике антенны нз простых УстРойств превра ткнись в сложнейшие системы, имеющие более десятков тысяч излучателей, активных элементов, фазоарашателей, управление которыми обеслечнвается спениальной ЭВМ Сложная конструкция таках антенн в основном определяет габаритные размеры и стоимость всей ралноснстсмы, что н привлекает к антеннам особое внимание Характернстнкн антенны предопределяют ряд основных параметров всей радио- системы.

Твк, в раднолокацнонных станциях (РЛС) рирешаюшая способность н точ- ность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, помехозащищенность н т.д, зависят от антенных характеристик. Бурное развитие микроэлектроники шразнлось н на антенной технике В послед- нне голы широко используются мнкроэлектронные устройства СВЧ, полосковые и мнкрополосковые ленни передачи, в том числе выполненные на ннх фазовращвтелн, коммутаторы, вентили, усилители и т, п. Потенциальные возможиостн микроэлектроники а уменьшения массы и объема радиоаппаратуры могут быть реалнэованы прн соответствующем построении антенн, отказе от традиционных нх типов и переходе к печатным антенным решеткам.

Действительно, в саьголетных РЛС зеркальная антенна с обтекателем, механизмом привода, волноводным трактом и устройством СВЧ имеет значительные габаритные размеры н массу по сравнению с остальными устройствами станпдй. Радиолокационная станция в мнкроэлектроннам исполнении на полупроводниковых устройствах СВЧ позволяет значительно уменьшить размерм н массу такой системы. Необходимость существенного улучшения параметров раанотехннческнх систем нлн создание новых перспективных лештельных аппаратов зачастую диктует требования к антенным характернстнкам, не выполнимые прн традиционном подходе к решению задач. Изыскание новых путей построения антенн лля решения различных задач требует системного подхода и совместной работы специалистов по прикладной злектродннамнке, снстемотехннке, радиоустройствам, электронике, автоматике, метрологии, конструнрованщо н технологии производства.

Стремление сократить время создания новой техники, увеличить производительность трудж оптимизировать параметры создаваемых систем привело к необходимостн аатоматнзацнн проектирования. Однако автоматизация проектирования антенн н СВЧ- устройств существенно отличается от автоыатнзацни проектирования в мнкроэлектроннке, системотехннке н радиоэлектронике н включает разработку, во-первых, физических, математических и элекгродннамическнх моделеЯ разного уровня сложностн, адекватных реальным устройствам; во-вторых, численных методов решения краевых задач электродинамики; а-третьнх, алгоритмов н программ решения систем операторных уравнениЯ. Поэтому круг исследователей, работающих а антенной технике, существенно пополнится спецналнстамн в области ралнафнзнки, прнклалноЯ и вычислительной математики.

Характерной особенностью современных антенн является нх многообразие (непрерывно появляются новые типы). В соответствия с решаемыми радиотехнической системой задачами антенны СВЧ, работвощне в дециметровом, сантиметровом лли миллиметровом днапазонах волн, имеют принципиальна различные характеристики и отлнчаются конструкцией, технологией нзготовленля, эксплуатацнеЯ н тд. Таким образом, в тоорил н технике антенн в настоящее время сформировался ряд самостоятельных научных направлений, кажлое нз которых охватывает определенный круг теоретических задач н практических вопросов, связанных с излучением, приемом, обработкой снгнала н другими ранее рассмотренными аспектами антенной техннкн П ! — ! 7].

1.2. Обшве характернстикв антенн в устройств СВЧ Проектирование н разработка антенно-фнлерных устройств любой радиотехнической системы велутся на основанни технических требований, в которых определены основные характеристнкн создаваемого устройства. Кроме того, знание основных параметров н характеристик антенно-фнлерных устройств н возможностей нх реализация необходимо разработчикам радиотехнических систем, поскольку ряд важнейших параметров систем предопределяется антенными устройствами.

Так, в раянолокацнн разрешающая способность н точность определения угловых координат, время н сектор об- игра пространства, помехозащищенность, дальность действия н другие параметры РЛС одределяются исключительно характеристикаии антенны или в значительной степени завнагг от них. Остановимся на основных характеристиках антенно-фидсрных устройств. Нигйгпшениосмь дейслмия является основной характеристикой антенн, которая определяет цеодинаковость пшучения (или приема) антенн в различных направлениях. РасСмвтренный в курсе теории электромагнитного поля элементарный электрический издугщвель(диполь Герпа) уже обладал направленностью действия, Для оценки направденности лействия всех существующих антенн в теории вводится понятие абсолютно нвпаправлеиной антенны — изотропного излучателя (гипотетический излучатель), который излучает электромагнитную энергию равномерно во все стороны.

Все существующие антенны обладают той илн иной направленностью действия. Напрвженность электрического поля Е, создаваемая произвольной излучающей антенной в некоторой точке пространства М(г,О,Р), будет зависеть от координат точки г,9, Р и подводимой мощности Р (или тока )), т.е. Е„= Е (1, г, О, р) . Прн г = сооп, 1 сопзг (те. Р =сопи) Е =Е Е(0 Р), откуда Е !Е „= г"(О Р), гле Е(О и)— харакмерксткха иаироюекиогти — зависимость поля излучения от направления при негпмеином расстоянии от точки наблюдения до антенны и неизменной полводимой мощности.

Характеристикой направленности приемной антенны является функция, характеризующая швисимость ЭДС, снимаемой с выходных клемм приемной антенны. от направления прихода радиоволн при неизменной поляризации и интенсивности поля Графическое изображение характеристики направленности называется два:раггиол лопраялеянослщ (ДН). Пространственная диаграмма направленности может быть изображена в виде некоторой поверхности. Радиус-вектор, проведенный от центра ло некотоРой точки поверхности, пропорционален полю излучения в данном направлении. Сечения пространственной диаграммы направленности плоскостями, прохочяшимн через центр, называют дкаграгтачк каиреаеенности е соотеетстеэ ющ ей птоскосшл. В качестве примера можно привести пространственную диаграмму направленности элементарного вибратора, представляющую собой тороил вращения (рис 1.2,а); диаграммы направленности в меридионааьной н экваториальной плоскостях (рис.