Гибридные зеркальные антенны на основе зеркал с круговым профилем для многофункциональных радиолокационных станций

9. Min K.-W. et al. An Analog Front-End Circuit for ISO/IEC 14443-Compatible RFID Interrogators // ETRI Journal. Dec. 2004. Vol. 26. № 6. P. 560-564.

10. Aerts W. et al. Dependence of RFID Reader Antenna Design on Read Out Distance // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Dec. 2008. Vol. 56. № 12. P. 3829-3827.

11. Scholz P. et al. Analysis of Energy Transmission for Inductive Coupled RFID Tags // Proc. IEEE International Conf. on RFID. March 2007. P. 183-190.

12. Greenhouse H.M. Design of planar rectangular microelectronic inductors // IEEE Transactions on Parts, Hybrid, and Packaging. June 1974. Vol. PHP-10. № 2. P. 101-109.

13. ISO/IEC FCD 10373-7: Identification cards - Test Methods - Part 7: Vicinity Cards. Feb. 2007.

УДК 621.396.677

О.П. Пономарев, Н.Н. Смирнов, С.М. Клишин

ГИБРИДНЫЕ ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛ С КРУГОВЫМ ПРОФИЛЕМ ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

Эффективность радиолокационных станций (РЛС) во многом определяется электрическими и массо-габаритными характеристиками антенных систем (АС), к которым предъявляются высокие требования по помехозащищённости, коэффициенту усиления (КУ), полосе частот. Важными параметрами АС являются: комбинирование методов пеленгации, поляризационная избирательность, возможность гибкого управления амплитудно-фазовым распределением (АФР) поля на раскрыве. Данным качествам удовлетворяют гибридные зеркальные антенны (ГЗА), имеющие достоинства фазированных антенных решеток (ФАР) и зеркальных антенн.

Преимущества ГЗА перед другими типами апертурных антенн заключается в высоком КУ и возможности точного электронного управления лучом в секторе углов до нескольких десятков градусов диаграммы направленности (ДН) [1-5]. Дополнительные преимущества ГЗА получают при использовании в качестве отражателя зеркал с круговым профилем, например, в форме полусферы.

Известные методы коррекции сферической аберрации (использование одиночного источника, кластерного облучателя, линейного фазированного источника, контррефлектора специальной формы) рассматривают центральную область рас-крыва сферического зеркала 1,41 • а ( а - радиус полусферы), в пределах которой лучи претерпе-

вают однократные отражения [6-10]. Дифракция на вогнутых телах вращения даёт ряд эффектов, до настоящего времени не нашедших широкого применения для улучшения электрических характеристик сферических зеркальных антенн. Такими эффектами являются многократные отражения и эффект «шепчущей галереи», которые ярко проявляются при расположении источника поля вблизи вогнутой стенки зеркала [11].

При решении задачи дифракции плоских электромагнитных волн на идеально проводящем полусферическом зеркале методом собственных функций с использованием сферических поворотов в системе координат (r, 0, ф) получены аналитические выражения, описывающие компоненты электрического поля на раскрыве и во внутренней области полусферического отражателя с электрическим радиусом к • a ( к = 2лД - волновое число) [12]:

Er = ^

где ^^V^^JyMco^-^f

{КГ)2 m (кг) 2 m '

A' - постоянные коэффициенты; у - постоянные

распространения собственных волн полусферического отражателя; Jv(kr) - функции Бесселя. Расчёт электрического поля вдоль оси полусферы радиусом 22,5 см демонстрирует устойчивый максимум фокусировки вблизи отражающей поверхности наряду с максимумом в окрестности параксиального фокуса/= а/2 как при различных амплитудных распределениях поля на раскрыве зеркала Е(кг) (рис.1), так и на разных частотах Х-диапазона.

Усовершенствованный метод коррекции сферической аберрации заключается в том, что вблизи отражающей поверхности размещают дополнительные источники поверхностных электромагнитных волн (ПЭМВ) с направлением излучения вдоль отражающей поверхности [12]. За счёт фазировки дополнительных источников и основного излучателя в области параксиального фокуса, а также выбора амплитудных соотношений между ними, можно управлять уровнем бокового излучения и увеличить КУ сферической антенны.

а)

1,2 РН 1

отн.ед.

0,8

0,6 0,4

0,2

Установка амплитудно-фазовых соотношений между дискретными источниками линейного фазированного облучателя (например, секционной конструкции) и дополнительными источниками вблизи отражающей поверхности зеркала, осуществляется расчётным путём по формулам (1) для заданного АФР поля на раскрыве.

Разработана функциональная схема моноимпульсного облучателя (МИО) ГЗА на основе полусферического отражателя (рис. 2). Моноимпульсный облучатель имеет три канала. Суммарный канал сформирован излучателем (3), возбуждающим центральную область зеркала, и двумя парами (1, 2) излучателей, возбуждающих краевые области раскрыва зеркала. Центральный излучатель (3) расположен в окрестности параксиального фокуса в пределах основного максимума фокусировки поля и предназначен для возбуждения раскрыва АС, ограниченного диаметром 1,41 • а, где лучи претерпевают однократные отражения от зеркала. Пара излучателей (2) размеща-

0 5 10 15 20 г,см

Рис.1. Амплитудное (а) и фазовое (б) распределение компоненты Ег вдоль оси полусферического зеркала на длине волны 1 = 3,14 для:

1 - Щг) = 1; 2 - Щг) = 0,5 + (1- (Ы(ка))2)3 ; 3 - ^(Ь-) = 0,25 + (1- (Ы(ка))2)3

Рис. 2. Структурная схема МИО сферической зеркальной антенны

ется в вертикальном плоскости непосредственно вблизи отражающей поверхности и возбуждает краевые области раскрыва ПЭМВ в вертикальной плоскости. В качестве облучателей (1) может использоваться пара микрополосковых антенн с направлением излучения в противоположные стороны. Аналогичные излучатели (2) располагаются в горизонтальной плоскости с направлением излучения в противоположные стороны компонентой Е Пара излучателей (1, 2) образует суммарный Хб(р) и разностный Д каналы МИО, где сигналы угловой информации и частные суммарные сигналы выделяются на двойных волноводных тройниках (кольцевых мостах). Фазировка каналов производится с помощью аттенюаторов и фазовращателей с плавной регулировкой амплитуды и фазы в каналах. За счёт регулирования амплитудных и фазовых соотношений между основным и дополнительным облучателями волноводного типа экспериментально получена диаграмма направленности (ДН) сферической ГЗА диаметром 30 см на длине волны 3 см с уровнем первого бокового лепестка не выше -36 дБ (рис. 3). Пунктир соответствует облучению зеркала открытым концом прямоугольного волновода МЭК-100, расположенного в основном максимуме фокусировки поля в окрестности параксиального фокуса. Сплошная линия -ДН антенны при сфазированном возбуждении рас-

крыва основным и дополнительным облучателями ПЭМВ.

Дополнительный облучатель состоит из двух волноводов, изогнутых в плоскости вектора и излучающих энергию в противоположные стороны симметрично продольной оси зеркала. Наличие дополнительных источников увеличивает КУ сферической АС на 10-12 % при значительном уровне подавления первого бокового лепестка суммарной ДН.

Рассмотрим проблему уменьшения размеров облучающего устройства моноимпульсной сферической двухчастотной антенны с поляризационной селекцией сигналов многофункциональной РЛС. Для решения данной проблемы сферическая антенна с полусферическим зеркалом (34) (рис. 4) имеет облучающее устройство (35), работающее на рабочих частотах /1, /2 (в общем случае частоты могут совпадать), устройство суммарно-разностной обработки сигналов вертикальной (36) и горизонтальной (37) поляризации, фазовращатели (ФВ) (38-40), устройства управления поляризацией (41-43).

Облучающее устройство (35) состоит из основного МИО (44), работающего на частоте/, фазовый центр которого расположен в окрестности параксиального фокуса, и дополнительного МИО, работающего на частоте /2 и состоящего

а)

0 5 10 15 20 25 30 35

(5, град

б)

О 5 10 15 20 25 30 35

Р. град

Рис. 3. Нормированная диаграмма направленности сферической антенны: а - основной лепесток; б - первый боковой лепесток

К приёмопередающему устройству /2

Рис. 4. Моноимпульсная двухчастотная сферическая ГЗА с поляризационной селекцией сигналов

из двух групп одиночных излучателей (45, 46). С выхода основного МИО (44) суммарный сигнал и разностные сигналы по углу места и азимуту Де, Др поступают в приёмо-передающее устройство частоты / Первая группа излучателей (45) дополнительного МИО работает на вертикальной поляризации поля и состоит из четырёх одиночных излучателей, попарно расположенных в вертикальной и горизонтальной плоскостях вблизи оси симметрии зеркала с направлением излучения вдоль вогнутой отражающей поверхности полусферического зеркала в противоположные стороны. Первая пара излучателей (47) расположена перед зеркалом, а вторая пара (48) - в плоскости, перпендикулярной той, в которой расположены излучатели первой пары, и их апертуры удалены от зеркала на расстояние 0,5 • С// (С - скорость света в свободном пространстве). Вторая группа излучателей (46) работает на горизонтальной поляризации поля и состоит из четырёх одиночных излучателей, аналогичных группе излучателей (45) и отличающихся тем, что апертуры первой пары излучателей (49) удалены от зеркала на расстояние 0,5 • С// и излучают ПЭМВ в том же направлении, что и первая пара одиночных излучателей (47) первой группы излучателей (45), а

вторая пара излучателей (50) расположена перед зеркалом и излучает ПЭМВ в том же направлении, что и вторая пара одиночных излучателей (48) первой группы излучателей (45). Выходы одиночных излучателей (47, 48) первой группы (45) соединены со входами кольцевых мостов (51, 52), на разностных выходах которых образуются сигналы ошибки по углу места и азимуту Де1, ДР1, а суммарные выходы кольцевых мостов соединены на сумматоре (53), на выходе которого образуется суммарный сигнал Ег Выходы одиночных излучателей (49, 50) второй группы (46) соединены со входами кольцевых мостов (54, 55), на разностных выходах которых образуются сигналы ошибки по углу места и азимуту Де2, ДР2, а суммарные выходы кольцевых мостов соединены на сумматоре (56), на выходе которого образуется суммарный сигнал Е2. Суммарно-разностные сигналы вертикальной поляризации Е Де1, ДР1 с разностных выходов кольцевых мостов (51, 52) и выхода сумматора (53) через ФВ с плавной регулировкой фазы (38-40) соединены с первыми входами устройств управления поляризацией (41-43). Суммарно-разностные сигналы горизонтальной поляризации Е Де2, ДР2 с разностных выходов кольцевых мостов (54, 55) и выхода

Рис. 5. Макет СДАР с пакетированным облучателем на 10 ГГц

Рис. 6. Парциальные диаграммы направленности СДАР

сумматора (56) соединены со вторыми входами устройств управления поляризацией (41-43). С выходов устройств управления поляризацией (41-43) суммарный сигнал X и сигналы ошибки по углу места и азимуту Де, Др поступают в приёмо-передающее устройство частоты / Так как излучатели дополнительного МИО расположены вблизи вогнутой отражающей поверхности зеркала с направлением излучения вдоль неё, облучатель не создаёт области тени на раскрыве антенны.

За счёт излучения ПЭМВ на раскрыв в диаметрально противоположные точки, сферическая антенна на частоте /2 представляет собой угловой датчик фазового суммарно-разностного координатора цели с точностью пеленгации выше, чем при амплитудной суммарно-разностной обработке информации с помощью основного моноимпульсного облучателя, работающего на частоте / Таким образом, дополнительным преимуществом данной сферической антенны является комбинирование методов пеленгации: амплитудного и фазового. При равенстве частот/1 = /2 коэффициент усиления моноимпульсной сферической антенны повышается на 10-12 %. Облучающее устройство моноимпульсной двухчастотной сферической антенны с поляризационной селекцией сигналов конструируется с учётом дифракционных свойств полусферического отражателя.

Принципиально новое решение при конструировании ГЗА представляет сферическая дифракционная антенная решётка (СДАР), состоящая из набора соосно расположенных полусферических отражателей с общей плоскостью раскрыва, и составного облучателя в виде источников (приёмников) волн волноводного типа в дифракционных элементах. Сферическая дифракционная антенная решётка состоит из п соосных полусферических зеркал с общим раскрывом, 4 • п дискретных излучателей, размещённых вблизи оси антенной решётки, и представляет неэквидистантную антенную решетку «вытекающих» волн. С точки зрения электродинамических свойств СДАР состоит из дифракционных элементов (ДЭ), образованных двумя соседними полусферическими отражателями, возбуждаемыми четырьмя изолированными излучателями. Каждый ДЭ имеет парциальную ДН и обеспечивает реализацию фазового метода пеленгации целей [14].

Проведены измерения ДН СДАР, состоящей из четырех зеркал с радиусами а = 12,6 см, а2 = 9,79 см, а3 = 7,89 см, а4 = 6,28 см на длине волны 3 см. Для данной СДАР разработан пакетированный полосковый облучатель диапазона 10 ГГц (рис. 5). Парциальные ДН каждого ДЭ измерялись при горизонтальной поляризации падающей на раскрыв волны из дальней зоны на частоте 10 ГГц. Форма и положение максимумов парциальных ДН СДАР для правого набора излучателей вытекающих волн пакетированного облучателя представлены на рис. 6. Угловой разнос парциальных ДН относительно нуля (фазового центра антенны): для первого (наибольшего) ДЭ составляет 46° (кривая 1), для второго ДЭ - 38° (кривая 2), для третьго ДЭ - 32° (кривая 3).

В результате исследований проведён электродинамический анализ сферических зеркальных антенн и дифракционных антенных решёток сферического типа. Доказано преимущество сферических ГЗА и дифракционных решёток перед ГЗА с параболическим зеркалом и плоскими ФАР по КУ. Дифракционные антенные решётки позволяют: управлять АФР поля на всем раскры-ве; обеспечивать высокий коэффициент использования поверхности за счёт того, что активные элементы, излучая энергию в направлении рас-крыва антенны, не затеняют основное и корректирующие зеркала; реализовывать простую систему возбуждения облучателей, сравнимую с системой возбуждения обычной линейной ФАР; использовать фазовый метод пеленгации целей на основе многобазовой системы.

Экспериментально исследованы электрические характеристики СДАР сантиметрового диапазона. Измерено амплитудное распределение поля в ДЭ. Разработаны пакетированные конструкции облучателей СДАР, проведено их численное моделирование и экспериментальное исследование. Изучены ДН поля в дальней зоне, соответствующие дифракционным элементам СДАР. Форма ДН свидетельствует о возможности их использования в составе угловых координаторов с амплитудной и фазовой пеленгацией целей. Экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о перспективе использования СДАР в качестве многофункциональных многолучевых ГЗА для РЛС сантиметрового диапазона.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алимова Л.И., Кинбер Б.Е., Классен В.И. и

др. Возможность широкоугольного сканирования в гибридных зеркальных антеннах // Радиотехника и электроника. 1981. № 1. С. 2500-2510.

2. Кинбер Б.Е., Классен В.И., Тоболев А.К. и др. Экспериментальная проверка отклонения луча гибридной зеркальной антенны в широком секторе углов // Радиотехника и электроника. 1984. № 8. С. 1462-1471.

3. Арестов В.В., Балаганский В.С., Гусевский В.И. и др. Проблема фазового синтеза ДН ГЗА / Сб. науч. тр. «Век радио: Перспективные пути развития антенных систем космической связи, теории управления и распознавания образов». Екатеринбург: УрО РАН, 1996. С. 29-55.

4. Классен В.И., Тоболев А.К., Шишлов А.В. Характеристики излучения гибридной зеркальной антенны в полосе частот // Радиотехника. 1985. № 9. С.69-72.

5. Архипов Н.С., Гряник М.В., Ломан В.И. и др. Гибридные зеркальные антенны // Зарубежная радиоэлектроника. 1987. № 12. С. 62-77.

6. Tingye Li. A Study of Spherical Reflectors as Wide-Angle Scanning Antennas // IRE Trans. on Antennas and Propagation. July 1959. P. 223-226.

7. Spencer R.C., Sletten C.J., Walsh J.E. Correction of Spherical Aberration by a Phased Line Source // Proc. N.E.C. 1949. Vol. 5. P. 320-333.

8. Schell A.C. The Diffraction Theory of Large-Aperture Spherical Reflector Antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. July 1963. P. 428-432.

9. Геруни И.М. Вопросы расчета сферических двухзеркальных антенн // Радиотехника и электроника. 1964. № 1. С. 3-12.

10. Бахрах Л.Д., Вавилова Н.В. Сферические двухзеркальные антенны // Радиотехника и электроника. 1961. № 7. С. 1146-1156.

11. Краснушкин П.Е., Мустель Е.Р. О прилипании электромагнитных волн к вогнутой металлической поверхности // ДАН СССР. 1946. Т. LIV. № 3.

12. Пономарев О.П. Решение уравнений Максвелла в сферической системе координат с использованием группы вращений. Приложение для сферических зеркальных антенн // Радиотехника. 2006. № 4. С. 77-78.

13. Пономарев О.П., Брюханов В.В. Зеркальная антенна. Патент РФ на изобретение № 2359375, МПК 19/17 (2006.01), опубл. 20.06.2009. Бюлл. № 17.

14. Пономарев О.П. Дифракция электромагнитных волн на вогнутых поверхностях кругового профиля. Приложение для гибридных зеркальных антенн // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2008. Т. 72. № 12. С. 1762-1766.