Эффективная площадь рассеяния вибраторных антенн в широкой полосе частот

2007

Доклады БГУИР

апрель-июнь

№ 2

УДК 621.396.67

ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ РАССЕЯНИЯ ВИБРАТОРНЫХ АНТЕНН В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ

АЛЬ-РИФАИ АБДУЛЬМУИН

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 4 июля 2006

Анализируется зависимость диаграммы рассеяния и эффективной площади рассеяния директорной антенны в широкой полосе частот. Используется метод интегральных уравнений.

Ключевые слова: директорная антенна, эффективная площадь рассеяния, диаграмма рассеяния, метод интегральных уравнений.

Введение

Поле рассеяния антенн, облучаемых внешним источником (например, радиолокатором), является существенным демаскирующим фактором радиосистемы даже в том случае, когда радиосистема находится в режиме "молчания" и ее антенная система нагружена на согласованную нагрузку. При облучении антенной системы, находящейся в пассивном состоянии (неизлучающей), полем внешнего источника в антенной системе наводятся токи проводимости — в металлических элементах и токи поляризации — в диэлектрических элементах. Часть мощности, отдаваемой этими токами, поступает в фидерную линию, подключенную к антенной системе. Другая часть мощности переизлучается непосредственно в пространство и дает вклад в эффективную площадь рассеяния (ЭПР). Эта составляющая ЭПР в одних публикациях называется неуправляемой, в других — структурной. Далее эту составляющую ЭПР будем обозначать СЭПР. Величина СЭПР связана с характеристиками и параметрами антенны в режиме излучения, т.е. зависит от конструкции антенны и частоты.

В метровом и дециметровом диапазонах волн в качестве антенн систем радиосвязи в радиолокационных системах широко используются директорные антенны. В ряде работ исследуются рассеивающие свойства директорной антенны, но в весьма узкой полосе частот, соответствующей рабочему диапазону директорной антенны в режиме излучения. В то же время средства радиолокационной разведки работают в широкой полосе частот. Поэтому представляет интерес исследование ЭПР директорной антенны вне ее рабочего диапазона частот. Далее приводятся результаты расчета диаграммы рассеяния и значения однопозиционной ЭПР при облучении директорной антенны плоской электромагнитной волной (ЭМВ) с различных направлений при линейной поляризации, совпадающей с поляризацией директорной антенны в режиме излучения. Этот случай наиболее интересен, так как соответствует максимуму ЭПР.

Метод и результаты анализа

При нахождении распределения тока в элементах антенны использован метод интегральных уравнений [1]. По распределению тока в элементах антенны поле рассеяния определялось методом векторного потенциала электрического поля. Значение ЭПР (далее ЭПР обозначена символом с) определялось с использованием известной формулы [1]:

с = 4пЯ

' еЛ2

V Е J

где Я — расстояние от рассеивающей антенны до точки наблюдения, в которой определяется поле рассеяния; Ei — амплитуда поля облучающей волны в точке расположения рассеивающей антенны; Ел — амплитуда поля рассеяния в точке наблюдения. Однопозиционная ЭПР (С1) соответствует полю рассеяния в направлении, обратном направлению распространения облучающей волны. Двухпозиционная ЭПР (с2) определяется соотношением:

С2 = Стах Р (0, ф):

где Р(0, ф) — значение нормированной диаграммы рассеяния в направлении, определяемом углами 0, ф сферической системы координат; стах — ЭПР в направлении максимума Р(0, ф).

Объектом исследования является директорная антенна, схематически показанная на рис. 1. Исследована диаграмма рассеяния и ЭПР для случая, когда ко входу антенны подключена согласованная нагрузка. В рабочем диапазоне частот такая ЭПР является структурной составляющей (СЭПР). Вне рабочего диапазона частот входное сопротивление антенны существенно отличается от его значения в рабочем диапазоне, антенна не согласована с нагрузкой. Поэтому рассчитанное значение ЭПР практически является полной ЭПР.

Рис. 1. Директорная антенна

Угол 0г- определяет направление распространения облучающей ЭМВ. Рассмотрены случаи изменения угла 0г- в плоскости Е (плоскости У2) и в плоскости Н (плоскости Х2). Исследована зависимость ЭПР от конструктивных параметров директорной антенны: числа директоров, размеров и формы рефлектора (рассмотрены случаи не только линейного рефлектора, но и плоского и уголкового). При изменении числа директоров размеры всех элементов директорной антенны подбирались так, чтобы обратное излучение в режиме передачи было минимальным и на средней частоте рабочего диапазона (/0) директорная антенна имела равную нулю реактивную часть входного сопротивления. На всех графиках зависимости ЭПР от различных параметров приведены значения ЭПР, нормированные к квадрату длины волны (с/Я2). Исследования проведены в диапазоне частот с восьмикратным перекрытием.

На графиках (рис. 2) приведена зависимость ЭПР/ А,2 для симметричного вибратора от нормированной частоты ///0 для двух случаев — короткого замыкания входа вибратора и подключения ко входу согласованной нагрузки. Частота /0 соответствует полуволновому резонансному вибратору. В известных источниках, например [2, 3], приводится зависимость

полной ЭПР от нормированной частоты в узкой полосе частот — пунктирная кривая на рис. 2 в узком диапазоне около значения /7/0=1. Как видно, СЭПР полуволнового вибратора, в отличие от полной ЭПР (на входе короткое замыкания), имеет минимум в рабочем диапазоне полуволнового вибратора. При увеличении частоты ЭПР, испытывая колебания, возрастает. На рис. 3 показана зависимость однопозиционной ЭПР от нормированной частоты симметричного вибратора с линейным рефлектором. Две кривые, соответствующие облучению антенны навстречу оси антенны и вдоль оси, практически совпадают, т.е. значения ЭПР при облучении антенны навстречу и вдоль оси антенны близки друг к другу. Величина ЭПР после достижения максимума при резонансной частоте слабо зависит от частоты, а затем существенно возрастает с ее ростом.

1,2

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

На входе согласованная нагрузка

На входе короткое замыкание

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 СТо

о.

с 1 т 1

Рис. 2. Зависимость ЭПР симметричного вибратора от частоты

Рис. 3. Зависимость ЭПР симметричного вибратора с линейным рефлектором от частоты

Исследована зависимость ЭПР от числа директоров (^) в антенне в широкой полосе частот. На рис. 4 показана зависимость однопозиционной ЭПР от нормированной частоты для антенны с разным числом директоров. Как видно, во всех случаях наблюдаются общие закономерности:

на резонансной частоте, соответствующей равенству нулю реактивной части входного сопротивления, наблюдается максимум ЭПР — рис. 3;

в интервале изменения нормированной частоты 1,2-3,0 ЭПР антенны, согласованной в рабочем диапазоне частот, существенно меньше резонансного значения и слабо зависит от частоты;

при дальнейшем увеличении частоты ЭПР существенно возрастает и принимает большие значения, что связано с сужением главного лепестка диаграммы рассеяния;

значения ЭПР, соответствующие облучению антенны воль оси антенны и навстречу оси, практически совпадают.

Заметим, что на частоте/=3,8/0 (на рис. 4 эта частота соответствует максимуму ЭПР для антенны с пятью и десятью директорами) антенна не согласована с нагрузкой, и значения СЭПР, как ранее отмечалось, практически равны полной ЭПР.

На рис. 5,а показана диаграмма направленности антенны с пятью директорами, ее входное сопротивление и значения коэффициента стоячей волны (КСВ) в линиях с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом на средней частоте рабочего диапазона (при численном моделировании частота /0=300 МГц), на рис. 5,6 — диаграмма направленности той же антенны на частоте /=3,8 /0.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5 f/fo

3.0

3.5

4.0

Рис. 4. Зависимость ЭПР от частоты

Для сравнения на рис. 6 показана диаграмма рассеяния той же антенны при облучении ее плоской электромагнитной волной навстречу оси антенны и вдоль оси на рабочей частоте антенны. Как видно, значения СЭПР для этих двух случаев облучения отличаются несущественно. Диаграмма рассеяния при облучении навстречу оси антенны близка по форме к диаграмме направленности.

Часшга= 300.0 МГцО

пл.Е

КН Д=11.59 дБ Частота=1150.0МГиЗ

F/B=20.25 дБ

пл.Е

КНД=-5.34 дБ F/B=-0.00 дБ

R= 40.7 0м КСВ/50=1.229

180

R= 1.5 0м КСВ/50=44.740

180

150

Х= -28.G Ом КСВ/75=57.896

а б

Рис. 5. Диаграммы направленности

150

Х= -0.0 Ом КСВ/75=1.843

Частота^ 300.0 МГцО

пл.Е

ЭПР/ЦЖЬ 9.855 Частата= 300.0 МГцО

OcbZ

180

Направление падающей волны

А

пл.Е

3nP/L0KL0= 9.874 Ось Z

180

Направление падающей волны

а б

Рис. 6. Диаграмма рассеяния на рабочей частоте директорной антенны: а — облучение навстречу оси антенны; б — облучение вдоль оси антенны

Вне рабочего диапазона директорной антенны диаграмма рассеяния существенно отличается от диаграммы направленности. Для иллюстрации сказанного на рис. 7 показаны диаграммы рассеяния директорной антенны с пятью директорами на частоте /=3,8 /0 при обучении антенны навстречу и вдоль оси антенны. Из сравнения рис. 5,б и рис. 7 видно это существенное различие. Все приведенные графики диаграмм направленности и диаграмм рассеяния соответствуют плоскости Е. В плоскости Н картина аналогична, но главный лепесток диаграммы рассеяния шире и уровень боковых лепестков больше.

Численный анализ показал, что опорная стрела крепления директоров антенны (рис. 1) несущественно меняет диаграмму рассеяния в плоскости Е на рабочей частоте директорной антенны и существенно вне этой полосы.

Частотам 150.0 МГц] ЭПРУЮКЮ= ЗЭ.57Э Частота=1150.0 МГц] ЭПР/ЮКЮ= 39.508

а б

Рис. 7. Диаграмма рассеяния на частоте /=3,8 /0: а — облучение навстречу оси антенны; б — облучение воль оси антенны

Заключение

Проведенные исследования зависимости эффективной площади рассеяния директорной антенны от ее геометрических параметров и частоты показали, что ЭПР директорной антенны имеет максимум на средней частоте рабочего диапазона fo. При увеличении частоты ЭПР сначала уменьшается, оставаясь почти постоянной, затем существенно возрастает на частоте 3,8 fO. Основной вклад в ЭПР дает структурная составляющая поля рассеяния, поэтому не удается уменьшить ЭПР путем нагрузки входа антенны на широкополосную согласованную нагрузку при работе антенны в режиме приема или находящейся в режиме "молчания".

RADAR CROSS SECTION (RCS) OF DIPOLE ANTENNAS IN WIDE BAND

ALRIFAI ABDOUL MOUEN Abstract

The RCS and cross diagram of Uda-Yagi antennas in wide band are analyzed. In the work the method of the integrated equations is used.

Литература

1. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р.Митры. М., 1977.

2. Справочник по радиолокации: В 4 т. Т. 1. Редактор М. Сколник / Пер. с англ.; Под ред. Я.С. Ицхоки. М., 1976.

3. Сидоренко С.Т. // Весщ НАН Беларуси Сер. ф1з.-тэхн. навук. 2004. № 1. С. 66-72.