СПОСОБ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ БОКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫ
METHOD OF REDUCING LEVEL OF LATERAL RADIATION OF ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенным устройствам и может быть использовано в системах радиопеленгации и радиосвязи различного назначения.
Уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности антенны - это нормированный к максимуму диаграммы направленности (ДН) уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков. УБЛ является важнейшей характеристикой антенных решеток, определяющей их помехозащищенность, электромагнитную совместимость, а в радиолинейных системах (РЛС) - вероятность ложного обнаружения целей.
В современных радиотехнических системах (РЭС) УБЛ не должен превышать -20, -25 дБ. Для достижения такого низкого значения УБЛ на практике применяются различные способы синтеза и оптимизации амплитудно-фазового распределения (АФР), а также размещения элементов в антенной решетке.
Известны способы синтеза амплитудного распределения для непрерывной апертуры дискретной системы излучателей [1-3]. Известно Дольф-Чебышевское возбуждение [1, 4], которое позволяет при заданной ширине ДН минимизировать УБЛ и, наоборот, при заданном УБЛ минимизировать ширину ДН. В работах [5, 6] предложен метод амплитудно-фазового синтеза антенных решеток произвольной геометрии по заданной ДН.
Применение этого метода к сканирующим ФАР не представляется возможным, так как он позволяет найти оптимальное АФР только для одного фиксированного направления луча.
В статье [7] рассматривается методика определения токов возбуждения кольцевой передающей телевизионной антенной решетки из диполей по заданной форме ДН в горизонтальной плоскости.
Вопросам синтеза многокольцевых антенных решеток, излучающих по нормали к плоскости размещения излучателей, посвящены работы [8, 9].
В статье [9] рассматривается задача оптимизации основных характеристик кольцевых концентрических антенных решеток (ККАР) с равномерным амплитудным распределением, путем оптимального выбора радиусов концентрических окружностей. В работе приводятся результаты оптимизации радиусов ККАР, полученные симплекс-методом.
В статье [9] рассматривается задача оптимизации размещения элементов с целью получения минимального УБЛ в заданной зоне углов. Элементы антенной решетки располагаются в узлах ломаных, образующих N-лучевую звезду. Для этой системы приводится описание алгоритма оптимизации и результаты расчета характеристик при разном числе элементов.
В монографии [10] рассматриваются различные методы анализа и синтеза антенных решеток на основе атомарных функций и даются рекомендации по их использованию для разработки.
Для решения задач синтеза наиболее эффективными оказываются численные методы оптимизации, такие, например, как генетический алгоритм [11].
Однако численные методы оптимизации применимы при работе антенной системы в узкой полосе частот, в связи с чем целесообразно использовать комбинированные методы синтеза амплитудно-фазового распределения и пространственного размещения элементов антенной решетки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ снижения уровня бокового излучения антенны, заключающийся в том, что осуществляют заданное размещение излучателей антенной решетки, формируют диаграммы направленности с низким уровнем боковых лепестков и образуют антенную решетку [9], в котором минимизация УБЛ осуществляется с помощь оптимального размещения элементов на плоской апертуре.
Существенным недостатком этого способа является уменьшение коэффициента усиления антенны по сравнению с его значением при равномерном и эквидистантном заполнении апертуры. Так как при оптимизации размещения уменьшается число элементов. Таким образом, данный способ нельзя применять в системах, для которых важнейшими параметрами являются энергетический потенциал и УБЛ при ограниченной площади апертуры. К таким системам относятся бортовые радиолокационные системы и некоторые наземные телекоммуникационные системы. Для снижения УБЛ без изменения коэффициента направленного действия предложено использовать пространственное размещение элементов в антенной решетке, которое имеет ряд преимуществ по сравнению с плоскостным и поверхностным размещением.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении уровня бокового излучения антенных решеток без изменения коэффициента усиления и в расширении функциональных возможностей, а именно в повышении точности определения координат, помехозащищенности и энергетического потенциала.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе снижения уровня бокового излучения антенны, заключающемся в том, что осуществляют заданное размещение излучателей антенной решетки, формируют диаграммы направленности с низким уровнем боковых лепестков и образуют антенную решетку, заданное размещение и формирование излучателей антенной решетки осуществляют в пространстве по геометрической форме решетки с возможностью обеспечения контроля их амплитудно-фазового распределения и эквидистантного размещения диаграммы направленности антенны при сохранении энергетических характеристик антенной решетки, таких как коэффициент направленного действия, коэффициент усиления и энергетический потенциал.
Кроме этого, излучатели размешают на поверхности антенной решетки эквидистантно в узлах гексагональной решетки, а расстояние между излучателями увеличивают за счет их разнесения в пространстве по высоте.
Одним из основных преимуществ предложенного способа является увеличение шага излучателей в решетке, особенно это требуется для активной фазированной антенной решетки (АФАР) миллиметрового диапазона волн. Эти же проблемы относятся и к совмещенным ФАР. Для решения задачи размещения элементов фидерного тракта предлагаются пространственные антенные системы с двойной гексагональной структурой, волнообразные, гребенчатые и др. Наиболее простая форма получается при изгибе прямоугольного или круглого раскрыва. При этом УБЛ снижается в плоскости изгиба и его значение зависит от величины изгиба. Для уменьшения УБЛ в другой плоскости необходимо использовать пирамидальное размещение излучателей в квадратном раскрыве и любое азимутально-симметричное в круглом раскрыве. Расчет характеристик направленности пространственной антенной решетки осуществляется с помощью известных из теории антенн формул. Если излучатели антенной решетки излучают поля с линейной поляризацией, то ДН решетки может быть записана в виде:
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mi>q</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>k</mi><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mi>q</mi></mrow></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mi>cos</mi><mi>φ</mi><mo>+</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mi>q</mi></mrow></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mi>sin</mi><mi>φ</mi><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>p</mi><mo>,</mo><mi>q</mi></mrow></msub><mi>sin</mi><mi>θ</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></msup></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow>
,
p,q
p,q
где M, N - число элементов строки и столбца решетки соответственно, A - амплитуда тока возбуждения элемента (т.к. во всех примерах расчета рассматривается равномерное амплитудное распределение, то A=1), θ, ϕ - пространственные координаты сферической системы.
Ранее пространственные антенные решетки не находили широкого практического применения из-за сложности распределительных систем. В настоящее время существует целевая программа по созданию цифровой элементной базы, на которой строится распределительная система. При этом структура распределительной системы сильно упрощается. Распределительная система может быть реализована как на современной цифровой, так и на аналоговой элементной базе.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1а, б представлены формы пространственного размещения элементов, реализующие данный способ, обеспечивающие по предварительным оценкам характеристик направленности структур возможность снижения УБЛ при увеличении шага в решетке за счет пространственного размещения элементов, на фиг.2 показан изгиб излучающего антенного полотна: 1 - на 30°, 2 - на 45°, 3 - на 60°, на фиг.2 приведены три варианта изгиба апертуры ДН на 30°, 45° и 60°, на фиг.3 и 4 - то же, для выпуклых и вогнутых апертур ДН, на фиг.3: 1 - ДН плоской антенной решетки с гексагональной структурой, 2 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 30°, 3 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 45°, 4 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 60°, на фиг.4: 1 - ДН плоской антенной решетки с гексагональной структурой, 2 - ДН вогнутой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 30°, 3 - ДН вогнутой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 45°, 4 - ДН вогнутой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 60°, на фиг.5 показана форма косинусоидального изгиба поверхности антенны, на фиг.6 представлены ДН: 1 - ДН плоской антенной решетки, 2 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой по косинусоидальному закону.
Для снижения УБЛ могут быть применены и другие геометрические формы размещения элементов в пространстве, например пирамидальная, параболическая, сферическая и т.д. Причем снижение УБЛ зависит от функции размещения элементов в пространственной гексагональной антенной решетке.
Предложенный способ осуществляют в процессе включения приемо-передающей аппаратуры в традиционном штатном режиме с возможностью обеспечения работы в стационарных и передвижных условиях.
Как показывают расчетные эксперименты, характеристики направленности антенной решетки с двойной пространственной гексагональностью зависят от закона размещения элементов в пространстве. Поэтому дальнейшее уменьшение боковых лепестков получается путем синтеза пространственного распределения элементов, а также применения методов оптимизации.
Существенным отличием заявляемого способа по сравнению с прототипом является то, что для снижения УБЛ не применяется спадающее амплитудное распределение и неэквидистантное размещение элементов, приводящие к уменьшению усиления антенны.
Таким образом, заявляемый способ позволяет уменьшить УБЛ, и в отличие от прототипа, позволяет реализовать технические решения для антенных решеток с высоким энергетическим потенциалом и усилением.
Предложенный способ может быть реализован на современной цифровой элементной базе с применением новых методов технологий изготовления антенного полотна, например технологии гальванопластики.
Снижение УБЛ позволяет в бортовых радиолокационных системах повысить точность измерений координат объектов и помехозащищенность.
Источники информации
1. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности. М.-Л., Энергоиздат, 1963.
2. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем. М., «Сов. радио», 1974.
3. Анализ и синтез антенных решеток / Чаплин А.Ф. - Львов: Вища шк. 1987.
4. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. Антенны. - М.: Энергия, 1975.
5. Д.Д. Габриэльян, С.Е. Мищенко. Метод амплитудно-фазового синтеза антенной решетки произвольной геометрии. - Радиотехника и электроника, 1995, Т.40, №7.
6. С.Е. Мищенко, С.В. Землянский. Амплитудно-фазовый синтез антенной решетки с произвольным размещением излучателей по заданной векторной диаграмме направленности. Материалы всероссийской конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ», Таганрог, июнь 18-23. 2001 г.
7. P. Knight. "Synthesizing The Radiation Pattern of Ring Aerial", Industrial Electron., 1963, 1, No.10, 538-543 p.
8. M. Vicente-Lozano, F. Ares-Pena, and E. Moreno. "Pencil-Beam Pattern Synthesis with a Uniformly Exited Multi-Ring Planar Antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.42, No.6, December 2000.
9. В.И. Дзюба, Л.В. Осипов. Оптимизация размещения элементов антенной системы при центрально-симметричном построении. // Антенны: Сб. статей. Вып.37. /Под ред. А.А. Леманского. - М.: Радио и связь, 1990.
10. Е.Г. Зелкин, В.Ф. Кравченко, В.И. Гусевский. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. - М: Сайнс-Пресс, 2005 г., 512 с.
11. Abdul-Aziz A. Abdul-Aziz, Hanna A. Kamala. Sector synthesis of antenna array using genetic algorithm. // Journal of theoretical and applied information technology, 2005. - pp.160-169.