Экспериментально-расчетная методика оценки влияния согласования с нагрузкой на характеристики антенн

УДК 621.396.96.001.24

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ СОГЛАСОВАНИЯ С НАГРУЗКОЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН

С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, Н.А. Самоцвет, А.А. Серегин, С.В. Суровцев

Приводится обоснование простой аналитико-экспериментальной модели для расчета характеристик усиления и рассеяния апертурных антенн. Показаны влияние КСВН в антенном фидере и коэффициента усиления антенны на эффективную поверхность рассеяния (ЭПР), а также взаимосвязь указанных характеристик. Приведен пример определения ЭПР рупорной измерительной антенны расчетно-экспериментальным методом на основе предложенной методики определения интегральной ЭПР антенны

Ключевые слова: ЭПР, КСВН, КУА, проектирование, антенны

Характеристики рассеяния апертурных антенн исследованы во многих работах, например, [1 - 12]. В них показано, что интегральная эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) антенны включает антенную и структурную составляющие. Структурная составляющая антенного рассеяния обусловлена в основном явлениями дифракции и рассеяния электромагнитных волн на элементах конструкции антенны. Антенная составляющая ЭПР обусловлена отражениями энергии от неоднородностей высокочастотного тракта и нагрузки. Вклад антенной составляющей в интегральную ЭПР антенны зависит от условий согласования антенны с нагрузкой и поэтому зависит от коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) в антенно-фидерном тракте на частоте облучения. На практике часто возникают ситуации, когда нужно оперативно определить ЭПР антенны за пределами ее рабочего диапазона частот. В таких случаях антенна не согласована с нагрузкой и может рассматриваться как отражатель электромагнитной энергии, имеющий две указанные выше составляющие ЭПР, причем антенная составляющая рассеяния зачастую преобладает.

В работе [13] исследовано влияние длины антенного фидера на ЭПР антенной вибраторной решетки и показано, что рассогласование входов вибраторов с фидерами приводит к повышению уровня антенной составляющей поля рассеяния, однако количественно этот эффект детально не исследован. Не исследована также взаимосвязь характеристик усиления и рассеяния антенн, обусловленная не идеальностью согласования антенны с нагрузкой, особенно при облучении антенны сигналами с частотами за пределами рабочего диапазона антенны.

Взаимосвязь характеристик усиления и рассеяния апертурных антенн

Исходя из указанного целью статьи является обоснование методического аппарата, пригодного для количественной оценки влияния КСВН на ха-

Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (915) 583-90-02

Пашук Михаил Федорович - ОАО «НТЦ РЭБ», первый заместитель генерального директора, тел. 8(916) 029-11-27 Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (951) 871-87-04

Серегин Алексей Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8 (915) 585-53-72

Суровцев Сергей Владимирович - ОАО «НТЦ РЭБ», начальник отдела, тел. 8 (905) 653-78-55

рактеристики усиления и рассеяния апертурных антенн в широкой полосе частот.

Анализ существующих аналитических моделей ЭПР апертурных антенн [1 - 13] показывает, что достаточно полно отражает характер происходящих на антенных элементах физических процессов рассеяния радиоволн модель следующего вида:

2

=а л 5

1 +

,07

а5 ехр

где а£ - интегральная ЭПР антенны, включающая структурную (О ) и антенную (Оа ) составляющие ЭПР;

Аф - разность фаз между составляющими

О и О , определяемая в основном электрической 3 а

длиной СВЧ тракта от нагрузки до выхода антенны, положениями фазовых центров рассеяния антенной и структурной составляющих ЭПР и фазой коэффициента отражения от нагрузки Г.

В осевом направлении излучения антенны структурная составляющая ЭПР является постоянной и не зависит от коэффициента направленного действия (КНД) антенны, тогда как антенная составляющая рассеяния связана с антенными характеристиками следующим образом:

где 7] - коэффициент полезного действия (КПД) антенны;

- эффективная площадь антенны, связанная с КНД соотношением;

е/1 = 4ж

2

(Я - длина волны излучения).

В формуле (2) комплексный коэффициент отражения волн от нагрузки Г определяется через значения коэффициента стоячей волны по напряже-

нию (КСВН): | Г |=

К -1

и

К +1 и

а произведение

является коэффициентом усиления антенны

(КУА): % = 7] Б

е//'

Коэффициент полезного действия ^ должен учитывать все источники потерь энергии в антенне, в том числе и за счет не идеальности согласования антенны с нагрузкой. Традиционно КПД антенны рассматривается в более узком смысле, а именно как омические потери на сопротивлении излучения. В дальнейшем будем учитывать потери и за счет рассогласования антенны с полезной нагрузкой. Если приемная антенна идеально согласована с нагрузкой

(Ки = 1), то антенная составляющая обратного рассеяния отсутствует (вся энергия поглощается в нагрузке, О= 0) и суммарная ЭПР антенны в осевом направлении определяется только структурной составляющей рассеяния (О„ = О ). Если антенна

^ s

закорочена, то | Г | = 1 и антенная составляющая рассеяния максимальна (принятая энергия излучается антенной в обратном направлении).

Если антенна согласована с нагрузкой неудовлетворительно (например, за пределами рабочей полосы частот антенны Ки = 7 - 20), то взаимосвязь

антенной составляющей ЭПР и КУА определяется простым соотношением:

2

gЯ2 Ки-1

4л Ки +1

Л2 I н2

Из формулы (3) следует, что -Г - это

4л 1

искомый коэффициент пропорциональности между характеристиками усиления (КУА g) и антенного

рассеяния (составляющей ЭПР оа) апертурной антенны, то есть антенная оа составляющая ЭПР на

конкретной частоте однозначно определяется значениями КУА и КСВН на этой частоте.

Известно также, что для апертурных антенн с простой геометрической конструкцией структурная составляющая ЭПР определяется формулой

О = УGSg,

где V - коэффициент использования поверхности (КИП) антенны (зависит от распределения поля вдоль ее поверхности);

Sg - геометрическая площадь раскрыва антенны.

С учетом (4) окончательно интегральную ЭПР антенны простой геометрической конструкции в осевом направлении можно рассчитать по приближенной формуле:

о^ = О^ + Оа = vGSg

gЯ2 Ки -1

4л Ки +1

2

Полученная простая аналитическая модель (5) может быть положена в основу простой экспериментально-расчетной методики определения ЭПР апертурных антенн в широкой полосе частот.

Экспериментально-расчетная методика определения ЭПР апертурных антенн. Измерения

ЭПР радиолокационных целей характеризуются достаточно высокой сложностью, что объясняется необходимостью применения специальных измерительных установок. Расчет ЭПР рассеивателей произвольной формы электродинамическими методами также характеризуется высокой сложностью. Однако применительно к антеннам простой геометрической конструкции определение их интегральной ЭПР может быть упрощено за счет рационального сочетания экспериментальных и расчетных методов. Предложим простую инженерную методику, позволяющую на практике решать эту задачу с приемлемой для практики точностью. Она включает следующие расчетные и измерительные процедуры.

На первом этапе рассчитывают структурную составляющую ЭПР апертурной антенны. В основу расчетов положена формула (4), причем для апер-турных антенн простой конструкции КНД также рассчитывается по простым аналитическим выражениям. Так, например, для рупорной антенны (при типовом косинусоидальном распределении поля вдоль раскрыва) ее КНД определяется через геометрическую площадь раскрыва по формуле

G = 0,81-

Я2

КНД оптимальных и конических можно рассчитывать также по формуле

рупоров

G = Л

32

V аг

Л

V °Г

Л

где аг, ьг - линейные размеры раскрыва рупора;

GE, GH - КНД антенного раскрыва в плоскостях Е и Н, соответственно.

На втором этапе определяют антенную составляющую рассеяния. При этом с целью повышения достоверности оценки искомого параметра целесообразно сочетать расчетный и экспериментальный методы определения этой составляющей ЭПР. Измерениям подлежит КСВН в антенном фидере. Измерения КСВН в антенном тракте характеризуются относительной простотой аппаратурного и методического обеспечения и заключаются в снятии показаний измеренных значений КСВ с прибора - измерителя КСВН. Этот вид измерений легко автоматизируется. В основу расчетной модели определения антенной составляющей рассеяния в данной методике могут быть положены формулы (2) или (3), в которые подставляют результат измерения КСВН.

На третьем этапе рассчитывают интегральную ЭПР антенны по формуле (1).

В качестве практической иллюстрации возможности применения предложенного методического подхода на рис. 1 показано семейство зависимостей антенной составляющей рассеяния рупорной измерительной антенны П6-23М от ее КУА в широком диапазоне частот (1 - 12 ГГц), а также от КСВН в высокочастотном тракте между выходом антенны и входом приемного устройства. Указанные зависимости рассчитывались по формулам (2) и (3) с учетом (6). Исходные данные для расчетов брались из штатного калибровочного графика антенны, который приведен на рис. 2. В нем приведены снятые экспериментально зависимости эффективной площади антенны и КУА от частоты.

а

Рис. 1. Зависимости антенной составляющей ЭПР рупорной антенны П6 23А от КУА и КСВН

Рис. 2. Калибровочный график измерительной антенны П6-23М

Расчеты по предложенной методике проведены для частот 3, 7 и 10 ГГц (длины волн соответственно 10; 4,29 и 3 см).

Анализ полученных данных показывает, что значения антенной составляющей рупорной антен-

ны с ростом КСВН по абсолютной величине становятся соизмеримыми с эффективной площадью антенны на этой длине волны. Сравнительный анализ показывает: составляющая антенного рассеяния антенны П6-23М (рассчитанная по формуле (3) при

КСВН, равном 1,5) для длины волны ^=10 см составила 122 см2, тогда как эффективная площадь антенны на этой длине волны имеет значение 600 см2. При увеличении КСВН до 7 антенная составляющая рассеяния увеличивается до 400 см2.

Полученные предложенным расчетно-экспериментальным методом данные хорошо согласуются с результатами натурного эксперимента по измерению ЭПР антенны П6-23А [12], которые получены с помощью измерительного радиолокационного комплекса «Звено - ЗЗ».

Полученные результаты позволяют утверждать, что изменяя степень согласования антенны с нагрузкой, можно в достаточно больших пределах изменять интегральную ЭПР апертурной антенны. Это обстоятельство позволяет использовать антенны с простой геометрической конструкцией в качестве рабочих мер ЭПР [11].

Таким образом, предложена методика определения ЭПР апертурной антенны расчетно-экспериментальным методом, основанная на простой аналитической модели для расчета влияния количественного показателя согласования антенны с нагрузкой на пространственно-энергетическую эффективность и ЭПР антенны. Адекватность модели подтверждается результатами экспериментальных исследований. Доказательство существенного влияния КСВН на указанные характеристики антенн позволяет не только рассчитывать ЭПР (как в пределах, так и за пределами рабочей частотной полосы) антенн, но и регулировать их ЭПР в широкой полосе частот путем применения вентилей, поглощающих и поляризационных аттенюаторов, делителей мощности, поглотителей, согласованных нагрузок и других СВЧ устройств, включаемых в антен-но-фидерный тракт.

Литература

1. Бененсон, Л.Д. Рассеяние электромагнитных волн антеннами [Текст] / Л.Д. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. 33. - № 2. - С. 225 -245.

2. Воскресенский, Д.И. Эффективная поверхность рассеяния остронаправленных антенн и антенных решеток. Вопросы снижения эффективной поверхности рассеяния [Текст] / Д.И. Воскресенский, Л.И. Пономарев, А.В. Шаталов; под ред. П.Я. Уфимцева. - М.: ИЭ РАН. - 1989. -С. 117 - 125.

3. Панычев, С.Н. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Измерительная техника. - 1995. - № 5. - С. 56 -58.

4. Гладышев, А.К. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС [Текст] / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. - 1995. - № 2. - С. 48 - 50.

5. Еремин, В.Б. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток [Текст] / В.Б. Еремин, С.Н. Панычев // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - № 8. - С. 61 - 70.

6. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенны на энергетические параметры спутниковых систем связи [Текст] / С.Н. Панычев // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 2001. - № 3-4. - С. 74 - 79.

7. Панычев, С.Н. Косвенный метод определения структурной составляющей рассеяния антенны [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Радиопромышленность. -М.: НИИЭИР. - 1993. - С. 60 - 62.

8. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения плотности потока энергии электромагнитного поля [Текст] / С.Н. Панычев, П.М. Мусабеков // Метрология. -1998. - Т. 6. - С. 36 - 41.

9. Панычев, С.Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ [Текст] / С.Н. Панычев // Антенны.

- 2001. - №. 5(51). - С. 68 - 70.

10. Гладышев, А.К. Экспериментально-расчетная модель оценки характеристик рассеяния апертурных антенн [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Метрология. - 1993. - № 11. - С. 24 - 28.

11. Гладышев, А.К. Оценка возможности применения измерительных антенн в качестве рабочих мер ЭПР [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Измерительная техника. - 1993. - № 2. - С. 57 - 59.

12. Ибрагимов, Н.Г. Методика и результаты эксперимента по исследованию характеристик отражения рупорной антенны в широком диапазоне частот [Текст] / Н.Г. Ибрагимов, С.Н. Панычев, В.А. Савинов. // Антенные измерения: сб. науч. трудов. Ереван: ВНИИРИ, 1990. - С. 191 - 192.

12. Кузнецов, А.А. Характеристики рассеяния линейных вибраторных решеток Ван-Атта [Текст] / А.А. Кузнецов // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - № 5. - С. 37 - 43.

13. Формализованный подход к генерации рациональных вариантов развития системы испытаний техники радиоэлектронной борьбы [Текст] / С.Н. Панычев. Д.М. Бывших, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014. - Т. 10. - № 3.1. - С. 71-75.

14. Волков, А. В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области [Текст] / А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета.

- 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 12-14.

15. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 5. - С. 94-98

16. Расчетно-инструментальный метод анализа прохождения случайного процесса через нелинейную цепь [Текст] / С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.Е. Ломовских // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. -№ 5. - С. 109-113.

17. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / В.М. Питолин, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2013. - Т. 9. - №. 6-3 С. 45-48.

18. Питолин, В.М. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров [Текст] / В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - №.5-1. - С. 34-36.

19. Панычев, С.Н. Алгоритм формирования имитационных помех с заданными спектральными и информационными свойствами [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Су-

ровцев, С.В. Канавин // Радиолокация, навигация, связь (RLNC- 2013): труды XIX Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж, 2013. - Т. 3. - С. 2012-2017.

20. Панычев, С.Н. Когнитивный алгоритм корреляционно-фильтровой обработки сложных сигналов на фоне гауссовых шумов [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет / Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2014): труды XX Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2014. - Т. 4. - С. 2000-2008.

21. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / С.Н. Панычев, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, С.В. Суровцев // Интеллектуальные информационные системы: материалы ежегодной Всерос. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2014. - С. 4-8.

22. Панычев, С.Н. Методы формирования и обработки радиопомех с учетом их статистических свойств на основе технологий векторной генерации и анализа радио-

сигналов [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, Е.А. Сытник // Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО: материалы IV науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: ГСКБ «Алмаз-Антей», - 2013. - С. 300306.

23. Авдеев, В.Б. Особенности современных методов моделирования приема и обработки случайных радиосигналов на фоне шумов и помех [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет // Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: Воронежский институт ФСИН России, 2013. - № 4. - С. 90-97.

24. Панычев, С.Н. Моделирование приёма и обработки случайных радиосигналов и помех [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: материалы XII Всерос. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2013. - С. 18-19.

Воронежский государственный технический университет

Центр системных исследований и разработок - филиал ОАО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы»

EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL METHODOLOGY FOR IMPACT ASSESSMENT COORDINATION WITH THE LOAD CHARACTERISTICS OF THE ANTENNAS

S.N. Panychev, M.F. Pashuk, N.A. Samotcvet, A.A. Seregin, S.V. Surovtsev

Justification of simple analytical experimental model for calculation of characteristics of strengthening and dispersion of aperture antennas is given. Influence of standing wave ratio (SWR) in an antenna feeder and antenna's coefficient of strengthening on the effective surface of dispersion (ESD), and also interrelation of the specified characteristics are shown. The example of the horn antenna's measuring of ESD definition by a settlement and experimental method on the basis of the offered definition of integrated antenna's ESD technique is given

Key words: ESD, SWR, strengthening, dispersion, aperture