Свойства и технические приложения антенных решеток, сфокусированных по широкополосному сигналу

В настоящее время развитие новых систем радиосвязи, микроволновых технологий и устройств технической диагностики связано с применением сфокусированного электромагнитного излучения (ЭМИ). Подавляющее большинство современных радиотехнических систем используют волновые поля дальней зоны, хотя для ряда технических приложений необходимо учитывать возможность функционирования радиотехнических средств в зоне ближнего излученного поля с использованием возможности реализации трехмерной фокусировки электромагнитного поля. Формирование пространственно распределенных, объемных сфокусированных электромагнитных полей, а также управление их параметрами открывает новые возможности в задачах радиотехники, неразрушающего электромагнитного контроля и микроволновых технологий.

Впервые идея фокусировки электромагнитного поля была предложена в первой половине XX века в работах [1–2]. В дальнейшем свойства сфокусированных антенн анализируются рядом авторов [3–4] и др. Исследования в этом направлении ведутся параллельно с изучением свойств электромагнитных полей в дальней зоне, однако, в отличие от последних, апертурная теория антенн в

зоне ближнего излученного поля в этот период не была создана в законченном виде.

Начиная с начала XXI века пробуждается интерес к антеннам, формирующим электромагнитные поля в зоне ближнего излученного поля. Проводится значительное число исследований, посвященных различным аспектам теории и практики сфокусированных антенн. Эти результаты становятся востребованными в таких развивающихся областях, как неразрушающий контроль, микроволновые технологии, медицинские приложения, системы радиосвязи и радиоэлектронной борьбы. Исследования, выполненные в последние два десятилетия, фактически создали основу апертурной теории антенн в зоне ближнего излученного поля и представлены в обобщенном виде в монографии [5].

В это же время в радиолокации развивается новое направление, в основу которого положено использование сигналов с широким спектром при относительно высокой средней частоте. Его логическим развитием стало использование сверхширокополосных сигналов, перенесенных на несущую частоту оптического диапазона. В этих случаях относительная ширина спектра излучаемого сигнала ∆ f / f ₀ значительно меньше единицы, и поэтому не специфических требований к

[м^^е © Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е., 2023

антенным устройствам не возникает. Более того, в этих случаях основные показатели направленности, как правило, могут без существенной утраты точности рассматриваться для монохроматического сигнала.

Другим направлением в радиолокации и ряде смежных задач явилось использование излучения и приема сигналов с широким спектром в относительно низкочастотной части диапазона радиоча^стот, когда f_6epxH I ^f_HUW;H » 1. Данное направление получило название сверхширокополосной радиотехники и также активно развивается в настоящее время. Поэтому возникает естественный интерес к рассмотрению задач фокусировки широкополосного электромагнитного поля, обещающей новые возможности для диагностической локализации электромагнитных полей, повышения потенциала радиосвязи, микроволновых технологий и неразрушающего радиоволнового контроля. Эти обстоятельства ставят в число актуальных детальные исследования свойств электромагнитных полей, сфокусированных по широкополосному сигналу, и выработку на их основе новых технических решений для ряда прикладных задач.

1.    Свойства электромагнитных полей, сфокусированныхпо широкополосному сигналу

Основные свойства электромагнитных полей, сфокусированных по монохроматическому сигналу, к настоящему времени изучены достаточно подробно. Введены или уточнены характеристики и параметры сфокусированных полей (КНД, размеры сфокусированной области, уровни боковых лепестков), и установлена их зависимость от характера апертурного распределения и положения точки фокусировки [5]. Выявлены новые свойства электромагнитных полей, и предложено их использование для повышения точностных показателей в диагностических задачах [6–7].

При переходе к использованию фокусировки по широкополосному сигналу аналогично случаям полей дальней зоны становится невозможным рассмотрение их в отрыве не только от спектра сигнала, но и от способа использования сфокусированного электромагнитного поля. Это обстоятельство порождает неоднозначность категорий диаграммы направленности и ее параметров, в том числе определяемых в режиме приема или передачи (например, [5]). Эти особенности, безусловно, присущи и электромагнитным полям, сфокусированным в зоне ближнего излученного поля по широкополосному сигналу [8].

В режиме приема результат фильтрации излученного поля, «принимаемого» в точке ( x, y, z ) c частотной характеристикой K_n p ( f ) , пространственное распределение сфокусированного поля рассматриваются как

I £С0П (x, y,z )| = f0+Af j E(x, y,z,f) G(f) Knp(f)df f0 —Af

и оказываются различными для разных способов приема, отличающихся выбором функции K ^p ( f ) .

В режиме передачи вид характеристики сфоку- сированного электромагнитного поля также существенно зависит от способа «использования»

энергии указанного поля, т. е. от функции, выполняемой с использованием сфокусированного электромагнитного поля. В задачах типа СВЧ-нагрева характеристика определяется эффектом поглощения электромагнитной энергии в точке

( x , y , z ) при излучении поля со спектром G ( f ) :

| «Т ( x , y , z )| 2

f0+Af j E (x, y,z,f)G (f)df f0-Af

В общем случае характеристикой в режиме передачи может рассматриваться результат «приема» электромагнитного поля устройством с действующей высотой приемной антенны h_n p _M ( f ) и частотной характеристикой K_n p _M ( f ) :

| е£0^Д _п ( x , y , z )| 2 = (3)

fо +Af j E (x, y,z,f) hnpM (f)G (f) KnpM ( f ) df f0-Af

Коэффициент направленного действия – интегральный показатель антенн, сфокусированных по широкополосному сигналу, вводится аналогично случаю фокусировки монохроматического излучения как отношение значений характеристик ^ сшп ( x о , y о , z о ) к соответствующему значению для излучения ненаправленного источника совпадающего спектрального состава, расположенного в точке апертуры, ближайшей к точке наблюдения. В точке фокуса ( x о , y о , z о )

центральной частоты f^, размеры области фокусировки в случаях широкополосного и узкополосного (af^fо ) « 1 сигналов практически совпадают (рис. 1). В случае асимметрии спектра происходит некоторое изменение размера соответственно преобладанию в спектре высокочастотных или низкочастотных составляющих. Уровень боковых лепестков, как ближних, так и дальних (при шаге решетки больше половины длины волны на центральной частоте), сохраняет общий характер в случае монохроматических колебаний при некоторой тенденции к снижению.

б

Рис. 1. Зависимость интенсивности сфокусированного поля линейной сфокусированной антенны: а – параллельно апертуре; б – перпендикулярно апертуре. Красная линия ( 1 ) – монохроматический сигнал, синяя линия ( 2 ) – равномерный спектр в полосе ±25 %

Fig. 1. Dependence of the intensity of the focused field of a linear focused antenna: a – parallel to the aperture; b – perpendicular to the aperture. The red line ( 1 ) is a monochromatic signal, the blue line ( 2 ) is a uniform spectrum within a band of ±25 %

^кнД сшп ^{( x} 0 , ^y 0 , ^z 0 ) =

|^Е СШП ^{( x} 0 , ^y 0 , ^z 0 )|

I Е С0ПР ( x 0 , y 0 , z 0 )

В рамках этих представлений высвечивается факт несовпадения в общем случае характеристик сфокусированных полей в режимах приема и передачи. Этот факт не входит в противоречие с принципом взаимности, а отражает различие в способе использования энергии электромагнитного поля в сфокусированной области.

Проведены оценки основных параметров сфокусированного поля в допущении того, что апертурное распределение J ( x , y , z ) не зависит от частоты, а фазовое распределение обеспечивает фокусировку в заданную точку пространства для всех частот спектра G ( f ) . Установлено, что для случаев спектра, симметричного относительно

• 2.    Электромагнитные поля, формируемые антенными решетками, сфокусированными по широкополосному сигналу

При переходе к использованию антенных решеток в задачах фокусировки по широкополосному сигналу аналогично случаям полей дальней зоны становится невозможным рассмотрение их в отрыве не только от спектра сигнала и способа использования сфокусированного электромагнитного поля, но и от частотных свойств системы излучателей и диаграммообразующей схемы. Это обстоятельство связано с тем, что пространственно-ча- стотное распределение электромагнитного поля E (x, y, z, f) возбуждается совокупностью источников с апертурным распределением J (x, y, z, f), частотная зависимость которого не может иметь произвольный характер, а существенным образом зависит от частотных характеристик элементов матриц рассеяния системы излучателей [SA (f)] и диаграммообразующей схемы [S(f)].

Для описания антенных решеток целесообразно использование матричной модели с поэлементным учетом эффектов взаимной связи излучателей. Согласно матричной модели, распределение напряженности электрического поля, создаваемого системой излучателей в зоне ближнего излученного поля, определяется матрицей рассеяния системы входов [ S_A ( f ) ] , парциальными распределениями полей, соответствующих элементу решетки с диаграммой направленности e ^ ( x , y , z , f ) при возбуждении их входов единичной падающей волной и при наличии согласованных нагрузок, подключенных к остальным входам, и матрицей рассеяния распределительного устройства [ S ( f ) ] :

[ S ⁽ f ) ] =

S 11 ^{( f} ) S 12 ^{( f} )

S 2 1 ^{( f} ) S 22 ^{( f} ) _

а

б

Рис. 2. Синтез параметров антенн для случая монохроматического сигнала. Этап 1. Синтез апертурного распределения ( а ), Этап 2. Расчет параметров антенны ( б )

Fig. 2. Synthesis of antenna parameters for the case of a monochromatic signal. Stage 1. Synthesis of aperture distribution ( a ), Stage 2. Calculation of antenna parameters ( b )

где блочные матрицы 5 ^ 1 ( f ) , S 2^ ( f ) и S^ ( f ) - входной коэффициент отражения распределительного устройства, коэффициенты передачи от входа к выходам и коэффициенты передачи между выходами соответственно, S 2^ ( f ) = S ^J ( f ) .

Для частотных составляющих сфокусированного поля пространственное распределение источ- ников представляется как

E ( x , У , z , ^f ) = ee ( x , У , z , ^f )| U_nad ( ^f )) , ⁽⁶⁾ где | U_na j ( f )^ — вектор-столбец комплексных амплитуд падающих волн на входах излучателей, значения которого определяются свойствами излучателей и распределительного устройства:

I U naa ( f )>

_________ ⁵2 1 i ^f ) _________

E "[ ⁵ 2 2 ( f ) ][ S A ⁽ f ) ]'

Соотношения (6) и (7) позволяют с точностью, достаточной для большинства практических задач, определить напряженность электрического поля при возбуждении входа распределительного устройства падающей волной единичной амплитуды с частотой f . Подчеркнем, соотношения (6) и (7) высвечивают принципиальное свойство антенн в составе сверхширокополосных радиосредств: пространственные распределения полей, создаваемых в режиме передачи, и соответствующие им показатели в режиме приема существенно зависят от частотных зависимостей матрицы рассеяния распределительного устройства и не могут быть определены в отрыве от свойств излучателей и фидерных устройств в составе антенной решетки.

При фокусировке по монохроматическому сигналу, как и в случае дальней зоны, синтез параметров антенной системы может разбиваться на два этапа, соответствующих «внешней» и «внутренней» задачам (рис. 2).

Рис. 3. Конструктивный синтез параметров антенны для случая широкополосного немонохроматического сигнала

Fig. 3. Constructive synthesis of antenna parameters for the case of a broadband non-monochromatic signal

На первом этапе определяется апертурное распределение для задаваемой геометрии решетки. На втором этапе – параметры диаграммообразующей схемы при заданных параметрах излучателей и ее типе.

Для фокусировки по широкополосному сигналу такое разделение невозможно, и необходимо использовать полную модель антенны, включающую решетку излучателей и диаграммообразующую схему (рис. 3).

Фактически это означает безальтернативную необходимость применения в задачах анализа и проектирования принципов конструктивного синтеза антенн. При практической реализации могут использоваться приемы, предложенные в работе [9] для случая дальней зоны.

3.    Технические приложения широкополосных сфокусированных антенных решеток

В заключение рассмотрим вопросы практического применения принципа широкополосных сфокусированных антенных систем в ряде технических приложений. Так, свойства сфокусирован- ных электромагнитных полей открывают возможность повышения технических показателей в ряде приложений:

– организацию связи с удаленным БПЛА;

– постановку прицельных по пространственным координатам помех наземным пунктам управления;

– формирование ложной авиационной цели с имитацией отраженного сигнала РЛС;

– диагностику антенн на этапах производства и испытаний;

– обработку загрязненной почвы электромагнитным полем;

– пеленгацию с использованием суммарноразностной обработки для поперечного и продольного направлений;

– организацию распределенной сети доступа в парках, скверах и рекреационных зонах;

– задачу опознавания БПЛА и подавления средствами РЭБ.

Заключение

Применение широкополосных антенных решеток, сфокусированных в зоне ближнего излученного поля, обладает рядом достоинств, определяемых их свойствами. Возможность локализации излучения в области пространства конечных размеров позволяет повысить потенциал радиосвязи, эффективность использования радиочастотного ресурса, улучшить технические характеристики систем диагностики и неразрушающего контроля.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке программы ПРИОРИТЕТ-2030.