Диссертация (1090673), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Поскольку влияние диэлектрических потерь существенно в областиверхних частот, боковые лепестки СКИ без несущего заполнения становятся более пологими.2.3 Выбор облучающей антенны и компенсация искаженийдиаграммы направленностиТак как ДН облучающей антенны формируется только в момент импульсного излучения, ее называют мгновенной [51]. При этом ДН будет зависеть от изменяющейся во времени формы радиоимпульса и в общем случае иметь функцио-49нальную зависимость Pпик (, , s(t )) – для пиковой и Pср (, , s(t )) – для среднеймощности, где  ,  – угловые координаты в E- и H-плоскостях ДН [38].

И, так какэлектродинамические параметры антенны, излучающей или принимающей СКИсигнал, становятся зависимыми от формы, длительности и спектра радиоимпульсато, очевидно, что зависимыми от параметров сигнала становятся также коэффициент направленного действия антенны и коэффициент усиления. При таком определении коэффициент направленного действия зависит не только от геометрииантенны, но и от согласования спектра радиоимпульса с ее частотной характеристикой.Действительно, в системах СКИ РСЗ присутствуют специфические энергетические потери, которые возникают из-за рассогласования спектра сигнала с частотной характеристикой антенны, поскольку любая антенна не излучает в областичастот ниже некоторой fмин [47,29].

С другой стороны частотный спектр любоговидеоимпульса имеет максимум именно на нулевой частоте, причем основнаяэнергия импульса сосредоточена в полосе частот f и ограничена некоторойfмакс . В результате частотная характеристика антенны и спектр сигнала оказыва-ются несогласованными, и часть энергии, не попавшей в полосу частот антенны,оказывается потерянной.В этом случае эффективность СКИ-антенны оценивается спектральным коэффициентом полезного действия f , равным отношению энергии спектра импульса Wf , попадающей в частотную полосу антенны, к его полной энергии Ws .Одним из способов повышения спектрального коэффициента полезного действияявляется возбуждение антенны СКИ n-порядка, что, согласно (9), смещает центральную частоту, на которую приходится максимум ФСПМ, в верхнюю спектральную область.

На практике это может быть достигнуто применением цепочкииз щелевых МПЛ-переходов, реализующих дифференцирующие звенья.50Важно отметить, что оптимизация ФСПМ FCC-маски в разделе 2.1 определена для излучаемого СКИ-радиосигнала, являющегося результатом реакции антенны на импульсное возбуждение, связанное с излучаемым сигналом (зондирования) через ее импульсную характеристику. Поэтому оптимизацию ФСПМ излучаемого сигнала согласно требованиям к спектральной маске частот целесообразно производить из расчета оптимизации свертки возбуждаемого импульса с импульсной характеристикой антенны.

Предполагая, что антенна имеет сверхширокую частотную полосу, функции оптимизированных полиномов (12) и (13) необходимо прежде проинтегрировать, чтобы на выходе антенны (как дифференцирующего звена) по критерию минимизации функции (11) получить распределениенапряженности поля синтезированного СКИ [A3].На ДН излучателя существенно влияет геометрия антенны и форма возбуждающего СКИ на выходе пикосекундного формирователя. Отсюда, чтобы получить ДН близкую к прямоугольной форме при ширине хотя бы 200 по относительному уровню 0,5 и одновременно обеспечить заданную частотную полосу СКИ,необходимо, прежде всего, произвести правильный выбор СКИ-антенны из расчета требуемых элетродинамических характеристик, а при необходимости – синтезантенной конструкции, согласовав ее с устройством формирования СКИ.Подобрать компактную антенну исходя из рассмотренных особенностей икритериев, отвечающую требованиям широкополосности в заданном диапазоне,не представляет особого труда.

Типичными представителями сверхширокополосных МПЛ-излучателей являются конструкции фрактальных антенн, щелевые излучатели в форме эквиугольной спирали, логопериодические антенны с самодополнительной формой щели и др. [11,24,27,29,33]. Однако частотно-независимыеантенны, как правило, слабонаправленные излучатели, имеющие полосу рабочихчастот в несколько октав при незначительном изменении формы ДН в пределахвсей полосы [33]. Для решаемых задач СКИ РСЗ ряд представленных антенн неэффективен ввиду необходимости четкой локализации исследуемой поверхности51в поле зондируемого луча.

Это обуславливает необходимость применения антеннс узкой ДН.Для исследовательских задач СКИ РСЗ была выбрана сверхширокополоснаямодифицированная TSA-антенна (Tapered-Slot Antenna) Вивальди с емкостнымвозбуждением [32,47,50].Профиль TSA-антенны представляет собой экспоненциальный трансформатор, согласующий волновое сопротивление пространства с волновым сопротивлением возбуждающего фидера (рисунок 14). Антенна Вивальди выполнена на диэлектрическом основании ФЛАН (поз.1), на одну сторону которого нанесен слойметаллизации, образующей топологию раскрыва антенны, а на другую элементпитания соединенный с SMA-разъемом (поз.6) и выполненный в виде согласующего четвертьволнового отрезка с расширяющимся окончанием (поз.5).Рисунок 14. Модифицированная TSA-антенна Вивальдис экспоненциальным раскрывомИзлучатель антенны можно разделить на три области [50]: раскрыв (поз.2) –сектор, сформированный металлизацией, выполняющий функцию излучения сигнала; преобразователь (поз.3) – сектор, в котором несбалансированная МПЛ переходит в сбалансированную щелевую линию; резонатор (поз.4) – сектор, расположенный в начале щелевой линии (его основная функция – согласование электрических характеристик излучателя и питающей линии).Ключевые особенности узконаправленных TSA-антенн заключаются такжев том, что такие антенны излучают с хорошим коэффициентом усиления в широкой полосе при фактическом отсутствии задних и боковых лепестков ДН, имеют52симметричную ДН, а ширина луча ДН в E- и H-плоскости таких антенн почтиодинакова [32].Выбранная геометрия щели антенны Вивальди изменятся по экспоненциальному закону, что сближает ее с рупорной антенной, у которой ширина ДН увеличивается с увеличением расстояния от точки питания антенны.Геометрические размеры раскрыва антенны определяются из формул [50]:Wмакс c2 fмин ε r;Wмин c2 fмакс ε r,(35)где Wмакс – ширина раскрыва, Wмин – ширина щели, fмин и fмакс – минимальнаяи максимальная рабочие частоты антенны.Топология раскрыва щелевого излучателя Вивальди является важной характеристикой, влияющей на сопротивление и частотную полосу антенны.

Геометрический контур экспоненциального раскрыва описывается выражением:y  C1 exp( Rx)  C 2 ,(36)где R – коэффициент раскрыва щели; постоянные C1 и C2 выбираются так, чтобыэкспоненциальный раскрыв проходил через точки P1 ( x1, y1 ) и P2 ( x2 , y2 ) [50]:C1 y2  y1;exp( Rx2 )  exp( Rx1)C2 y1 exp( Rx2 )  y2 exp( Rx1).exp( Rx2 )  exp( Rx1)(37)Для описания электродинамических характеристик антенны Вивальди используется метод, в основу которого положен принцип аппроксимации экспоненциального раскрыва антенны регулярными щелевыми участками с постояннойшириной раскрыва. Предполагается, что шаг увеличения ширины регулярной щели много меньше четверти длины волны, соответствующей верхней границе полосы частотного спектра СКИ. При этом результирующая ДН антенны будет рассматриваться как суммарный вклад каждого регулярного участка [29,32].При изменении ширины раскрыва антенны Wмакс существенно изменяетсяширина главного лепестка ДН и уровень боковых лепестков.

На рисунке 15 пред-53ставлены результаты моделирования ДН для TSA-антенны при длине L = 150 мми ширине раскрыва 60 и 120 мм.Рисунок 15. Результаты программного моделирования нормированных ДНантенны Вивальди по мощности: Wмакс = 60 мм (слева); Wмакс = 120 мм (справа)Из рисунка 15 можно заметить, что при увеличении раскрыва главныйлепесток ДН сужается, и ширина ДН по уровню половинной мощностиуменьшается в два раза. При этом увеличение раскрыва позволяет не толькосузить главный лепесток ДН, но и повысить показатель спектральногокоэффициента полезного действия за счет сдвига нижней границы частотногодиапазона антенны согласно (35).

Однако изменение Wмакс влияет на уровеньбоковых лепестков: при уменьшении раскрыва уровень боковых лепестковспадает; при его увеличении – уровень увеличивается, однако не превышает 0,1 отмаксимального значения мощности излучения.Следует отметить, что несинхронное возбуждение раскрыва фронтом СКИприводит к провалам ДН в основном направлении и требует коррекции.Действительно, в точке зондирования может возникнуть обстоятельнаянеобходимость скорректирвать искажения электрического поля, вносимые МПЛантенной.

Для этого необходимо, чтобы сигнал излучался с одинаковымпрофилем напряженности электрического поля, что может быть достигнуто двумяпутями: модификацией топологии антенны, либо формированием СКИ заданногопрофиля, позволяющего скомпенсировать нежелательный эффект в ДН. Изменить54топологию антенны не всегда представляется удобным, поэтому в данном случаепредлагается оптимизировать профиль входного радиоимпульса МПЛ-антенны.Компенсацию провалов основного лепестка ДН можно обеспечить путемвведения перед антенной системы формирователей СКИ на аналоговых ЛЗ. Поаналогии с предложенным в разделе 2.2.2 техническим решением оптимизацииФСПМ, это позволяет синтезировать коррекционный СКИ:Nsk (t )   qi s (t   i ),(38)i 1где N – число каналов, qi – амплитудные коэффициенты, i – аналоговыезадержки,s(t )– СКИ, излучаемый антенной вдоль линии визирования.Амплитудные коэффициенты и значения временных задержек находятся изусловий минимизации целевой функции Gц :Gц  qi , i  s  sk (t )  sk (t ) dt  min,2(39)0где sk (t ) – исходно заданный коррекционный СКИ, s – его длительность вблизизондируемой боковой поверхности объекта.В таком случае, задачи оптимизации ФСПМ относительно FCC-маски икомпенсации провалов ДН, излучаемой МПЛ-антенной, могут быть решеныкомбинационно через систему уравнений целевых функций Fц и Gц .Электродинамические характеристики модифицированной антенны TSAантенны Вивальди с экспоненциальным раскрывом приведены в приложении П.2.2.4 Квазиоптимальное обнаружение сверхкоротких радиоимпульсовнеизвестной формыВ реальных условиях приема отраженный от вибрирующей поверхностиСКИ смешивается с шумами, в том числе собственными шумами устройств пред-55варительного усиления, и помехами, вызванными многолучевым рассеянием отподстилающей поверхности и отдельно стоящих объектов, а также генерируемыми другими СВЧ-устройствами.Отсюда система приема должна наилучшим образом производить пространственно-временную и частотную селекцию сигнала от зондируемой поверхностииз смеси СКИ, шумов и помех.Воспроизводимость эпюры интенсивности механического колебания, полученного методом СКИ РСЗ, напрямую зависит от алгоритма обнаружения, эффективность которого определяется из выбранного статистического критерия правдоподобия [1,2,18,28].Как известно, неизменность формы сигнала является важной частью априорной информации обнаружения, необходимой для его идентификации.

Характеристики

Список файлов диссертации