Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов
Получены соотношения для расчета эффективной поверхности (ЭП) произвольной антенной решетки, принимающей сверхширокополосный (СШП) сигнал, которая представлена как функция от направления прихода электромагнитной волны и ширины спектра сигнала. Полученные соотношения использованы для численного анали...
Saved in:
| Published in: | Радиофизика и радиоастрономия |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100157 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов / А.А. Коноваленко, П.Л. Токарский, С.Н. Ерин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2013. — Т. 18, № 3. — С. 257-264. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860111876129554432 |
|---|---|
| author | Коноваленко, А.А. Токарский, П.Л. Ерин, С.Н. |
| author_facet | Коноваленко, А.А. Токарский, П.Л. Ерин, С.Н. |
| citation_txt | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов / А.А. Коноваленко, П.Л. Токарский, С.Н. Ерин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2013. — Т. 18, № 3. — С. 257-264. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радиофизика и радиоастрономия |
| description | Получены соотношения для расчета эффективной поверхности (ЭП) произвольной антенной решетки, принимающей сверхширокополосный (СШП) сигнал, которая представлена как функция от направления прихода электромагнитной волны и ширины спектра сигнала. Полученные соотношения использованы для численного анализа ЭП и диаграмм направленности (ДН) плоской антенной решетки из 5×5 элементов над экраном, которая может служить прототипом секции фазированной антенной решетки радиотелескопа декаметрового диапазона волн. Приведены ДН этой решетки, рассчитанные для плоскостей E и H. Показано, что максимальная ЭП антенной решетки, принимающей СШП сигнал, близка по величине к ЭП на центральной частоте рабочей полосы, а ее угловая зависимость в результате частотного усреднения приобретает сглаженную форму, безлепестковую вне области главного лепестка с заметно уменьшенным уровнем.
Одержано співвідношення для розрахунку ефективної площі (ЕП) довільної антенної решітки, що приймає надширокосмуговий (НШС) сигнал, яка представлена як функція від напрямку приходу електромагнітної хвилі та ширини спектра сигналу. Одержані співвідношення використано для числового аналізу ЕП і діаграм спрямованості (ДС) плоскої антенної решітки з 5×5 елементів над екраном, котра може служити прототипом секції фазованої антенної решітки радіотелескопа декаметрового діапазону хвиль. Наведено ДС цієї решітки, які розраховані для площин E і H. Показано, що максимальна ЕП антенної решітки, що приймає НШС сигнал, є близька за величиною до ЕП на центральній частоті робочої смуги, а її кутова залежність після частотного усереднення набуває згладженої форми, безпелюсткової поза областю головної пелюстки з помітно зменшеним рівнем.
The relations for effective area calculation of arbitrary antenna array which receives ultra wideband signal are obtained. The effective area is presented as function of direction of electromagnetic wave arrival and signal bandwidth. The relations obtained are used for numerical analysis of effective area and radiation patterns of 5×5 elements planar antenna array placed above a screen, which could be a prototype of decameter wavelength radio telescope phased antenna array subarray. The array radiation patterns calculated for E and H planes are presented. The maximum effective area of antenna array receiving ultra wideband signal is shown to be close to the value of effective area at the central frequency of the range, and its angular dependence due to frequency averaging acquires smooth shape, being lobeless out of the area of the main lobe with significantly decreased level.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:34:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013 257
Радиофизика и радиоастрономия. 2013, Т. 18, № 3, c. 257–264
© А. А. Коноваленко, П. Л. Токарский, С. Н. Ерин, 2013
ÀÍÒÅÍÍÛ, ÂÎËÍÎÂÎÄÍÀß
È ÊÂÀÇÈÎÏÒÈ×ÅÑÊÀß ÒÅÕÍÈÊÀ
А. А. КОНОВАЛЕНКО, П. Л. ТОКАРСКИЙ, С. Н. ЕРИН
Радиоастрономический институт НАН Украины,
ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина
E-mail: p.tokarsky@rian.kharkov.ua
ÝÔÔÅÊÒÈÂÍÀß ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÜ È ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
ÍÀÏÐÀÂËÅÍÍÎÑÒÈ ÀÍÒÅÍÍÎÉ ÐÅØÅÒÊÈ
 ÐÅÆÈÌÅ ÏÐÈÅÌÀ ÑÂÅÐÕØÈÐÎÊÎÏÎËÎÑÍÛÕ ÑÈÃÍÀËÎÂ
Получены соотношения для расчета эффективной поверхности (ЭП) произвольной антенной решетки, принимающей
сверхширокополосный (СШП) сигнал, которая представлена как функция от направления прихода электромагнитной
волны и ширины спектра сигнала. Полученные соотношения использованы для численного анализа ЭП и диаграмм
направленности (ДН) плоской антенной решетки из 5 5× элементов над экраном, которая может служить прото-
типом секции фазированной антенной решетки радиотелескопа декаметрового диапазона волн. Приведены ДН этой
решетки, рассчитанные для плоскостей E и H. Показано, что максимальная ЭП антенной решетки, принимающей
СШП сигнал, близка по величине к ЭП на центральной частоте рабочей полосы, а ее угловая зависимость в результате
частотного усреднения приобретает сглаженную форму, безлепестковую вне области главного лепестка с заметно
уменьшенным уровнем.
Ключевые слова: антенная решетка, сверхширокополосный сигнал, эффективная поверхность, диаграмма направленности,
численный анализ
УДК 520.272.2:
621.396.677.3: 537.872
1. Ââåäåíèå
В последнее десятилетие при построении различ-
ных радиотехнических систем все чаще исполь-
зуются сверхширокополосные (СШП) и сверхко-
роткие импульсные (СКИ) сигналы. Использова-
ние таких сигналов в радиолокации, радиосвязи
и радиоастрономии позволяет заметно повысить
разрешающую способность радаров [1, 2], сущест-
венно увеличить скорость передачи информации
по каналам связи [3, 4], получить больше инфор-
мации о структуре и свойствах внеземных источ-
ников радиоизлучений [5]. Свойства СШП сигна-
лов, методы анализа и области их применения
весьма подробно описаны в фундаментальных
обзорных работах [6, 7].
Критически важным элементом радиотехни-
ческих систем, принципы действия которых ба-
зируются на применении СШП и СКИ сигналов,
являются антенны, которые должны излучать
и/или принимать такие сигналы с минимальными
искажениями. В последнее время опубликовано
много работ, посвященных разработке и иссле-
дованиям различных типов антенн, предназначен-
ных для работы с такими сигналами [8–13].
Основное внимание в большинстве из них уде-
ляется изучению отклика антенн на возбуждение
их нестационарными и СКИ сигналами [11–13].
Делаются попытки ввести для таких антенн но-
вые параметры, которые учитывали бы особен-
ности излучения и приема ими СКИ сигналов.
К новым параметрам и характеристикам, в час-
тности, относятся энергетический коэффициент
направленного действия (КНД), энергетическая
эффективная поверхность (ЭП) антенны и энер-
гетическая диаграмма направленности (ДН) ан-
тенны [14, 15], с помощью которых можно более
корректно оценивать энергию излученного или
принятого антенной СКИ сигнала и ее угловое
распределение в пространстве, чем с помощью
традиционных КНД, ЭП и ДН антенны. Вместе
с тем в литературе еще мало внимания уделяется
исследованиям фазированных антенных решеток,
258 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013
А. А. Коноваленко, П. Л. Токарский, С. Н. Ерин
работающих в режиме приема СШП сигналов.
В частности, недостаточно исследованы такие
важные их характеристики, как КНД, ЭП и ДН.
В настоящей работе сделана попытка частично
восполнить этот пробел на примере анализа плос-
кой антенной решетки, которая является прото-
типом секции фазированной антенной решетки
радиотелескопа ГУРТ [16] декаметрового диа-
пазона волн.
2. Îñíîâíûå ñîîòíîøåíèÿ
Мощность, выделяемая в нагрузке произвольной
приемной антенны, может быть определена по
следующей формуле [17]:
( , )LP θ ϕ =
0
1 ( , ) ( , , ) ( ) ( ) ( )d ,e PS A K H
∞
ω= θ ϕ ⋅ θ ϕ ω ⋅η ω ⋅ ω ⋅ ω ω
ω ∫
(1)
где ( , )Sω θ ϕ – спектральная плотность потока мощ-
ности электромагнитной волны, приходящей из на-
правления ( , )θ ϕ на круговой частоте ;ω ( , , )eA θ ϕ ω
и ( )η ω – ЭП антенной решетки и ее КПД на час-
тоте ω соответственно; ( )PK ω – частотная зави-
симость коэффициента передачи фидерной систе-
мы по мощности; ( )H ω – частотная характерис-
тика устройства обработки сигнала.
Выражение (1) описывает зависимость мощ-
ности в нагрузке антенны от углов прихода элек-
тромагнитной волны, поэтому может быть ис-
пользовано для исследования ДН по мощности
антенной решетки, работающей в приемном
режиме. Подынтегральная функция здесь сос-
тоит из пяти сомножителей, каждый из которых,
в общем случае, зависит от частоты и в той или
иной мере влияет на результат интегрирования.
Очевидно, что наиболее сильное влияние ока-
зывает множитель ( , , ),eA θ ϕ ω который опреде-
ляется размерами и структурой излучающей
системы. Множитель ( )H ω является финитной
функцией, описывающей частотные свойства
приемного устройства, в качестве которого в со-
временных радиофизических и радиотехнических
системах часто применяются приемники с циф-
ровой обработкой сигнала (DSP-приемники),
которые фактически разделяют весь континуум
частот на две области – полосу пропускания
1 2( ),ω ≤ ω≤ ω где принятый сигнал подвергается
цифровой обработке, и область частот вне этой
полосы, где сигнал не обрабатывается. В таком
случае функцию ( )H ω можно представить в сле-
дующем виде:
1 2
1 2
1, [ , ];
( )
0, [ , ].
H
ω∈ ω ω⎧
ω = ⎨ ω∉ ω ω⎩
Частотная характеристика коэффициента пе-
редачи ( )PK ω фидерной системы для каждой
антенной решетки индивидуальна, поскольку она
зависит от набора входящих в ее состав компо-
нентов и их параметров, однако при проектирова-
нии фазированных антенных решеток разработ-
чики, как правило, стремятся сделать ее по воз-
можности равномерной в рабочей полосе частот,
что дает право положить ( ) 1.PK ω = Такие же
рассуждения применимы и к КПД излучателей,
поэтому мы будем считать, что и КПД излучате-
лей в заданном диапазоне частот является фик-
сированной величиной 0( ) .η ω = η Кроме того,
будем полагать, что частотный спектр падаю-
щей волны в пределах полосы пропускания так-
же одинаковый на всех частотах, т. е. является
частотонезависимым, 0( , ) ( , ).S Sω θ ϕ = θ ϕ Прини-
мая во внимание сделанные допущения, преоб-
разуем выражение (1) к виду:
2
1
0 0( , )( , , ) ( , , )d
2L e
SP f A
ω
ω
θ ϕ ηθ ϕ Δ = θ ϕ ω ω=
π ∫
0 0( , ) ( , , ),
2 e
S Aθ ϕ η Δω= θ ϕ Δω
π
(2)
где
2
1
1( , , ) ( , , )d ;e eA A
ω
ω
θ ϕ Δω = θ ϕ ω ω
Δω ∫ (3)
2 1Δω = ω −ω – ширина полосы рабочих частот,
в которой принятые сигналы подвергаются обра-
ботке.
Судя по выражению (2), функция ( , , )eA θ ϕ Δω
является ЭП антенной решетки для СШП сигна-
лов, численно равной традиционной ЭП решет-
ки ( , , ),eA θ ϕ ω усредненной в полосе частот .Δω
Из (2) следует также, что она определяет не
только мощность сигнала, выделенную в нагруз-
ке приемной антенной решетки, но и зависимость
этой мощности от углов прихода волны, т. е. яв-
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013 259
Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема...
ляется функцией направленности антенной решет-
ки по мощности.
Найдем входящую в (3) ЭП ( , , )eA θ ϕ ω произ-
вольной антенной решетки из N элементов. Вна-
чале рассмотрим ее параметры в режиме пере-
дачи, а затем, пользуясь принципом взаимности,
найдем ее параметры в режиме приема. Будем
полагать, что напряженность монохроматичес-
кого электрического поля с частотой ,ω излу-
чаемого n-м элементом решетки в режиме пере-
дачи в дальнюю зону, нам известна и может быть
записана в следующем виде [17]:
0( , , , ) ( , , )exp ,
4n n n
ZE R I j R
R c
ω⎛ ⎞θ ϕ ω = Φ θ ϕ ω −⎜ ⎟⎝ ⎠
1, ,n N=
где nI – амплитуда тока на входе n-го элемента
решетки; ( , , ) ( , , )
2
en
n nFc
ωΦ θ ϕ ω = θ ϕ ω
π
– его нор-
мированная ДН в общей для всех элементов сфе-
рической системе координат ( , , ),R θ ϕ en – его
действующая длина; 82.9979 10 м/сc ≈ ⋅ и 0Z –
скорость света в свободном пространстве и ха-
рактеристическое сопротивление свободного
пространства соответственно; зависимость токов
и полей от времени принята в виде exp( ).j tω
Поле излучения решетки в дальней зоне най-
дем как суперпозицию полей ее элементов:
0
1
( , , , ) exp ( , , ).
4
N
n n
n
ZE R j R I
R c =
ω⎛ ⎞θ ϕ ω = − ⋅ Φ θ ϕ ω⎜ ⎟⎝ ⎠
∑
(4)
КНД антенной решетки по определению [17]
равен отношению
2
( , , , )( , , ) ,
4
RD
P RΣ
Π θ ϕ ωθ ϕ ω =
π
(5)
где ( , , , )RΠ θ ϕ ω – модуль вектора Пойнтинга
поля антенной решетки в дальней зоне; PΣ =
1 1
1
2
N N
m n m n
m n
I I R∗
Σ
= =
∑ ∑ – мощность излучения
антенной решетки, а ( )mnRΣ ω – собственные
( )m n= и взаимные ( )m n≠ сопротивления излу-
чения между m-м и n-м элементами решетки;
“*” – знак комплексного сопряжения.
Выражая вектор Пойнтинга в (5) через напря-
женность электрического поля (4), нетрудно по-
лучить искомое выражение для КНД антенной
решетки на частоте :ω
2
1
0
1 1
( , , )
( , , ) .
N
n n
n
N N
m n mn
m n
I
D Z
I I R
=
∗
Σ
= =
Φ θ ϕ ω
θ ϕ ω = π
∑
∑∑
(6)
Полагая, что антенная решетка является вза-
имным устройством, найдем ее ЭП через КНД
в режиме передачи [17]:
2
2( , , ) ( , , )e
cA Dπθ ϕ ω = θ ϕ ω =
ω
2
2
10
2
1 1
( , , )
.
( )
N
n n
n
N N
m n mn
m n
I
c Z
I I R
=
∗
Σ
= =
Φ θ ϕ ω
π=
ω ω
∑
∑∑
(7)
Как видно из (6), частота прямо не входит
в формулу для определения КНД, однако влияет
на нее опосредовано через частотные зависи-
мости действующих длин элементов решетки,
собственных и взаимных сопротивлений излуче-
ния, а также ДН. Рассмотрим асимптотическое
поведение ЭП и КНД антенной решетки с изме-
нением частоты.
Из теории антенн известно [17, 18], что регуляр-
ная плоская синфазная антенная решетка c равно-
мерным возбуждением, шаг которой d близок к
2λ (λ – длина волны в свободном пространст-
ве), по своим направленным свойствам мало от-
личается от равновеликой плоской апертуры. Это
дает право утверждать, что на частотах, где элек-
трические расстояния между соседними элемен-
тами ( )kd c d= ω в решетке близки к ,π ее ЭП
практически совпадает с геометрической площа-
дью, а ее КНД – с КНД равновеликой апертуры.
С увеличением частоты ω пропорционально
растут электрические расстояния между элемен-
тами решетки и, естественно, ослабляются вза-
имные связи в ней, что дает основание пренебре-
гать ими при достаточно больших kd ( 0,mnRΣ ≈
).m n≠ В этом случае для максимальных ЭП
и КНД антенной решетки будут справедливы сле-
дующие приближения:
max maxe enA N A≈ ⋅ и max max ,nD N D≈ ⋅
260 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013
А. А. Коноваленко, П. Л. Токарский, С. Н. Ерин
где
2
0
max 4
en
en
nn
ZA
RΣ
= и
2 2
0
max 24
en
n
nn
ZD
c RΣ
ω=
π
– ЭП
и КНД изолированного элемента решетки.
Напротив, если уменьшать частоту, т. е. сжи-
мать электрические расстояния между ее эле-
ментами, взаимные сопротивления между ними
mnRΣ будут расти, асимптотически приближаясь
к собственным сопротивлениям ,nnRΣ что в пре-
деле дает
max maxe enA A= и max max ,nD D=
т. е. ЭП и КНД решетки будут совпадать с ЭП
и КНД ее элемента.
3. Èñõîäíûå äàííûå äëÿ ðàñ÷åòà
Воспользуемся полученными соотношениями для
оценки характеристик секции фазированной антен-
ной решетки строящегося в настоящее время ра-
диотелескопа ГУРТ [16], предназначенного для
работы в диапазоне частот 10 70÷ МГц. Секция
представляет собой квадратную решетку из
5 5x yN N N= × = × идентичных элементов, распо-
ложенных в узлах квадратной сетки с шагом
3.75d = м, ориентированной вдоль осей x и y пря-
моугольной системы координат. Элементами ре-
шетки служат симметричные вибраторы спе-
циальной формы, изготовленные из металличес-
ких трубок и закрепленные на высоте 1.6h = м
над землей. Анализ характеристик этих вибрато-
ров, выполненный методами численного электро-
динамического моделирования, показал, что в
большей части рабочего диапазона частот они
близки к характеристикам электрических диполей
Герца [19]. Поэтому для упрощения расчетов да-
лее мы будем полагать, что элементом исследуе-
мой решетки является горизонтальный диполь Гер-
ца, расположенный над плоским идеально проводя-
щим экраном, повернутый вокруг вертикальной оси
z на угол nϕ относительно оси x. Его векторная
ДН в общей для всей решетки системе координат
определяется следующим соотношением [20]:
( )( , , ) ( , ) ( , )exp ( ) ,
2n n g nj F f j
c
ωΦ θ ϕ ω = − θ ϕ θ ω Ψ ω
π
где 0 0( , ) cos cos( ) sin( ),n n nF θ ϕ = θ θ ϕ−ϕ −ϕ ϕ−ϕ
( )0 0,θ ϕ – орты сферической системы координат;
( ) ( sin cos sin sin ); ( , )n n n gx y f
c
ωΨ ω = θ ϕ+ θ ϕ θ ω =
2sin cos ;h
c
ω⎛ ⎞θ⎜ ⎟⎝ ⎠
, ,n nx y h – координаты диполя;
– его длина.
Векторное сложение сигналов, принимаемых
элементами решетки, осуществляется с помощью
равноплечего сумматора, построенного по парал-
лельной схеме, в состав которой входят дискрет-
ные фазовращатели на переключаемых отрезках
линий временной задержки [21]. Это дает право
приближенно считать, что амплитудное распре-
деление токов на клеммах элементов решетки
является равномерным, 0 ,nI I= ( 1, ),n N= а фа-
зовое их распределение – линейным. В таком
случае ДН решетки (4) может быть преобразо-
вана к виду:
( , , ) ( , ) ( , ) ( , ),
2 n g arj F f f
c
ωΦ θ ϕ ω = − θ ϕ θ ω θ ϕ
π
где ( , )arf θ ϕ – множитель решетки,
sinsin( , ) ,
sin sin
y yx x
ar
x y
NNf
ψψθ ϕ =
ψ ψ
0 0(sin cos sin cos ),
2x
d
c
ωψ = θ ϕ− θ ϕ
0 0(sin sin sin sin ).
2y
d
c
ωψ = θ ϕ− θ ϕ
Необходимо отметить, что используемые в схе-
ме суммирования фазовращатели обеспечивают
постоянство направления 0 0( , )θ ϕ главного мак-
симума множителя решетки при изменении час-
тоты [21].
Ниже представлены результаты численных
расчетов параметров данной антенной решетки в
режиме приема гармонических и СШП сигналов.
При расчетах углы поворота всех диполей были
взяты одинаковыми и равными 90 ,nϕ = ° что
означает – их оси ориентированы вдоль оси y.
4. ×èñëåííûå ðåçóëüòàòû è èõ àíàëèç
На рис. 1 показаны рассчитанные по формулам
(6) и (7) частотные зависимости КНД 0 0( , , )D θ ϕ ω
и нормированной ЭП 0 0 0( , , )eA A A= θ ϕ ω антен-
ной решетки для четырех значений 0 0 ,θ = ° 29.3 ,°
46.7 ,° 58.1° и двух значений 0 0ϕ = ° и 0 90 ,ϕ = °
где 2
0A Nd= – геометрическая площадь антен-
ной решетки. Из графиков (рис. 1, а, в) следует,
что с увеличением частоты наблюдается общая
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013 261
Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема...
тенденция роста КНД, что объясняется суже-
нием главного лепестка ДН решетки из-за увели-
чения ее электрических размеров. В случае, ког-
да решетка излучает вдоль нормали к своей
поверхности, этот рост является монотонным в
пределах всего исследуемого диапазона частот.
Для лучей, отклоненных от нормали, монотонность
роста КНД нарушается вблизи частот, связанных
с появлением побочных главных лепестков ДН,
которые отбирают у основного главного лепестка
ДН некоторую часть излучаемой мощности, что
приводит к локальному снижению КНД решетки.
Приведенные здесь результаты расчетов показы-
вают также, что выбор плоскости сканирования
луча, H или E, мало влияет на характер измене-
ния КНД решетки с частотой, однако заметно
сказывается на абсолютном уровне КНД. В этом
можно удостовериться, сравнивая графики рис. 1, а
и рис. 1, в, на которых хорошо видно, что кривые
( )D f на обоих рисунках почти идентичны по фор-
ме, однако на рис. 1, в они расположены ниже
по уровню, чем аналогичные кривые на рис. 1, а
для тех же углов фазирования 0 0,θ > что объяс-
няется более высокой направленностью элемен-
тов решетки в плоскости E.
Частотные зависимости относительной ЭП
антенной решетки, показанные на рис. 1, б, г, хо-
рошо согласуются с зависимостями КНД. И это
вполне понятно, поскольку формулы (6) и (7) для
их расчета очень близки по структуре, а принци-
пиальное их отличие заключается в наличии мно-
жителя 21 ω в (7). Именно этот множитель резко
изменяет тенденцию поведения ЭП решетки,
которая, в отличие от КНД, уменьшается, а не
увеличивается с ростом частоты.
На графиках, представленных на рис. 2, a–з
сплошной линией показаны ДН по мощности ис-
следуемой антенной решетки в режиме приема ши-
рокополосного сигнала с равномерной спектраль-
ной плотностью в полосе частот от 1 20f = МГц
до 2 60f = МГц ( 40fΔ = МГц) в виде угловых
зависимостей ее нормированной ЭП ( , ).A θ ϕ Этот
сигнал имеет показатель широкополосности μ =
2 1 2 1( ) ( ) 1,f f f f− + = что согласно классифика-
ции, приведенной в [6], позволяет отнести его к
классу СШП сигналов. На этих же графиках пре-
рывистыми линиями показаны аналогичные ДН
решетки в режиме приема гармонических сигна-
лов на центральной частоте выделенной полосы
0 40f = МГц (пунктирная линия) и на крайних ее
Рис. 1. Зависимости КДН (а, в) и ЭП (б, г) антенной решетки от частоты при отклонении луча ДН от нормали в плоскости H
(а, б) и плоскости E (в, г): ––– – 0 0 ;θ = ° ····· – 0 29.3 ;θ = ° - - - - – 0 46.7 ;θ = ° -·-·- – 0 58.1θ = °
262 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013
А. А. Коноваленко, П. Л. Токарский, С. Н. Ерин
частотах (штриховая и штрихпунктирная линии
соответственно). На рис. 2, а и рис. 2, д пред-
ставлены два главных сечения ( 0ϕ = ° и 90 )ϕ = °
ДН решетки с синфазным возбуждением, когда
главный луч ее ДН ориентирован по нормали
0( 0).θ = На графиках видно, что ДН решетки в
режиме приема СШП сигналов ( , )A θ ϕ в окрес-
тности вершины главного лепестка практически
совпадает с ДН решетки на центральной частоте
(отличие по уровню в направлении максимума
составляет менее 0.05 дБ, а по ширине на уровне
–3 дБ – не более 5 %). Начиная с уровня –5 дБ,
луч ДН ( , )A θ ϕ заметно расширяется, плавно
переходя в область боковых лепестков, где его
уровень продолжает монотонно падать вплоть до
полного исчезновения при 90 .θ = ± ° Как и следо-
Рис. 2. Угловые зависимости нормированных ЭП антенной решетки в плоскостях H ( 0 )ϕ = ° и E ( 90 )ϕ = ° для четырех
фиксированных положений луча ДН 0 0( , ) :θ ϕ усредненная ЭП ( )A θ в полосе 40fΔ = МГц (–––) и монохроматические ЭП
( )A θ на частотах 20f = МГц (- - - - ), 40f = МГц (·····) и 60f = МГц (-·-·-)
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013 263
Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема...
вало ожидать, в плоскости E из-за большей на-
правленности элемента решетки главный лепес-
ток ее ДН (рис. 2, д) оказался ýже и при удалении
от нормали уровень ДН падает быстрее, чем в
плоскости H (рис. 2, а).
Многие описанные выше свойства ДН ( , )A θ ϕ
синфазной решетки наблюдаются и у решеток,
лучи которых отклонены от нормали как в плос-
кости H, так и в плоскости E, разве что при больших
отклонениях луча расширение его по сравнению
с ДН на центральной частоте становится более за-
метным, а в области боковых лепестков падение
уровня ( , )A θ ϕ не всегда является монотонным.
Последнее явление, кстати, наблюдается лишь
тогда, когда в монохроматических ДН появляют-
ся интерференционные боковые лепестки, приво-
дящие к некоторому росту уровня усредненной ДН
( , ),A θ ϕ однако и этот возросший ее уровень ока-
зывается несравнимо меньшим уровня упомяну-
тых интерференционных лепестков. Подытоживая
вышеизложенное, можно сказать, что ДН решет-
ки в режиме приема СШП сигналов имеет один
главный луч и безлепестковую структуру в об-
ласти бокового излучения. Безусловно, ее форма
во многом будет зависеть от ширины полосы час-
тот ,Δω в которой выполняется усреднение, и чем
ýже эта полоса, тем ближе она будет к ДН решет-
ки на центральной частоте полосы, однако при этом
имеется все меньше оснований относить такой
сигнал к классу СШП сигналов.
5. Âûâîäû
Максимальная ЭП антенной решетки, принимаю-
щей СШП сигнал, близка по величине к ЭП на цент-
ральной частоте рабочей полосы, а ее угловая за-
висимость в результате частотного усреднения при-
обретает сглаженную форму, безлепестковую вне
области главного луча и с заметно уменьшенным
ее максимальным уровнем. Этот эффект особен-
но хорошо проявляется в тех случаях, когда в мо-
нохроматических ДН внутри рабочей полосы
имеются побочные главные лепестки, направления
максимумов которых сильно зависят от частоты,
вследствие чего при частотном усреднении ДН
они “размазываются” в широком секторе углов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
01. Ultra-Wideband Radar: Application and Design / Ed. by
D. James. – New York: CRC Press, 2012. – 510 p.
02. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллектив-
ная монография / Под. ред. А. Ю. Гринева. – М.:
Изд-во “Радиотехника”, 2005. – 416 с.
03. Ultra Wideband Systems: Technologies and Applications /
Ed. by R. Aiello and A. Batra. – New York: Elsevier Inc.,
2006. – 323 p.
04. Immoreev I. J., Sudakov A. A. Ultra-Wideband Com-
munication System with High Data Rate // Радиофизика
и радиоастрономия. – 2002. – Т. 7, №4. – С. 466–470.
05. Lecacheux A., Konovalenko A. A., and Rucker H. O. Using
Large Radio Telescopes at decameter wavelengths // Planet.
Space Sci. – 2004. – Vol. 52, Is. 15. – P. 1357–1374.
06. Лазоренко О. В., Черногор Л. Ф. Сверхширокополос-
ные сигналы и физические процессы. 1. Основные
понятия, модели и методы описания // Радиофизика
и радиоастрономия. – 2008. – Т. 13, № 2. – С. 166–194.
07. Лазоренко О. В., Черногор Л. Ф. Сверхширокополос-
ные сигналы и физические процессы. 2. Методы анали-
за и применение // Радиофизика и радиоастрономия. –
2008. – Т. 13, № 4. – С. 270–322.
08. Schantz H.G. Art and Science of Ultrawideband Anten-
nas. – Boston: Artech House, 2005. – 331 p.
09. Ghosh D., De A., Taylor M. C., Sarkar T. K., Wicks M. C.,
and Mokole E. L. Transmission and Reception by Ultra-
Wideband (UWB) Antennas // IEEE Antennas Propag.
Mag. – 2006. – Vol. 48, No. 5. – P. 67–99.
10. Chavka G. Power Parameters of Ultra-Wideband Antenna
Array // Proc. 3rd Intern. Conf. Ultrawideband and
Ultrashort Impulses Signals (UWBUSIS’2006). – Sevasto-
pol (Ukraine). – 2006. – P. 223–225.
11. Иммореев И. Я., Синявин А. Н. Излучение сверхширо-
кополосных сигналов // Антенны – М: Изд-во “Радио-
техника”, 2001. – Вып. 1. – С. 8–16.
12. Liao C.-H., Hsu P., and Chang D.-C. Energy Patterns of
UWB Antenna Arrays with Scan Capability // IEEE Trans.
Antennas Propag. – 2011. – Vol. AP-59, No. 4. –
P. 1140–1147.
13. Titov A. N. and Gribanov A. N. Impulse antennas of
ultra-short impulse electronic systems // Proc. 3rd Intern.
Conf. Ultra-wideband and Ultrashort Impulses Signals
(UWBUSIS’2012). – Sevastopol (Ukraine). – 2012. –
P. 129–132.
14. Зернов Н. В. Коэффициент направленного действия
и эффективная площадь апертурной антенны при из-
лучении и приеме негармонических сигналов // Радио-
техника (Москва), 1995. – № 3. – С.51–52.
15. Авдеев В. Б. Энергетические характеристики направлен-
ности антенн и антенных систем при излучении и
приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкорот-
ких импульсов // Антенны – М: Изд-во “Радиотехника”,
2002. – Вып. 7. – С. 5–27.
16. Konovalenko A. A., Falkovich I. S., Gridin A. A., Tokars-
ky P. L., and Yerin S. N. UWB Active Antenna Array for
Low Frequency Radio Astronomy // Proc. VIth Intern.
Conf. on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals
(UWBUSIS’12). – Sevastopol (Ukraine). – 2012. – P. 39–43.
17. Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. – М.: Энергия,
1975. – 528 с.
18. Сканирующие антенные системы СВЧ. Т2. / Перевод
с англ. Под ред Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. – М.:
Сов. радио, 1960. – 496 с.
264 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 18, № 3, 2013
А. А. Коноваленко, П. Л. Токарский, С. Н. Ерин
19. Ерин С. Н., Токарский П. Л. Взаимные связи между
антеннами, используемыми в качестве элементов фази-
рованной антенной решетки для радиотелескопа дека-
метрового диапазона волн // Радиотехника. Всеукр. меж-
вед. научн.-техн. сб. – 2013. – Вып. 173. – С. 23–30.
20. Токарский П. Л. Импедансный подход к анализу поля-
ризационных потерь в антенных решетках // Радиотех-
ника и электроника (Москва). – 1992. – Т. 37, № 8. –
С. 1388–1395.
21. Yerin S. N., Gridin A. A., and Tokarsky P. L. Phase shifter
for antenna array of decameter range radio telescope // Proc.
19th Intern. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless
Communications (MIKON 2012). – Warsaw (Poland). –
2012. – P. 715–717.
О. О. Коноваленко, П. Л. Токарський, С. Н. Єрін
Радіоастрономічний інститут НАН України,
вул. Червонопрапорна, 4, м. Харків, 61002, Україна
ЕФЕКТИВНА ПЛОЩА ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ
СПРЯМОВАНОСТІ АНТЕННОЇ РЕШІТКИ В РЕЖИМІ
ПРИЙМАННЯ НАДШИРОКОСМУГОВИХ СИГНАЛІВ
Одержано співвідношення для розрахунку ефективної
площі (ЕП) довільної антенної решітки, що приймає над-
широкосмуговий (НШС) сигнал, яка представлена як функ-
ція від напрямку приходу електромагнітної хвилі та ши-
рини спектра сигналу. Одержані співвідношення викорис-
тано для числового аналізу ЕП і діаграм спрямованості
(ДС) плоскої антенної решітки з 5 5× елементів над екра-
ном, котра може служити прототипом секції фазованої ан-
тенної решітки радіотелескопа декаметрового діапазону
хвиль. Наведено ДС цієї решітки, які розраховані для пло-
щин E і H. Показано, що максимальна ЕП антенної решіт-
ки, що приймає НШС сигнал, є близька за величиною
до ЕП на центральній частоті робочої смуги, а її кутова
залежність після частотного усереднення набуває зглад-
женої форми, безпелюсткової поза областю головної пе-
люстки з помітно зменшеним рівнем.
A. A. Konovalenko, P. L. Tokarsky, and S. N. Yerin
Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences
of Ukraine,
4, Chervonopraporna St., Kharkiv, 61002, Ukraine
EFFECTIVE AREA AND DIRECTIONAL PATTERNS
OF ANTENNA ARRAY OPERATING IN ULTRA
WIDEBAND SIGNALS RECEIVING MODE
The relations for effective area calculation of arbitrary antenna
array which receives ultra wideband signal are obtained. The ef-
fective area is presented as function of direction of electromagnet-
ic wave arrival and signal bandwidth. The relations obtained are
used for numerical analysis of effective area and radiation patterns
of 5 5× elements planar antenna array placed above a screen,
which could be a prototype of decameter wavelength radio tele-
scope phased antenna array subarray. The array radiation pat-
terns calculated for E and H planes are presented. The maximum
effective area of antenna array receiving ultra wideband signal is
shown to be close to the value of effective area at the central
frequency of the range, and its angular dependence due to frequen-
cy averaging acquires smooth shape, being lobeless out of the area
of the main lobe with significantly decreased level.
Статья поступила в редакцию 27.06.2013
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100157 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1027-9636 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:34:20Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Радіоастрономічний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коноваленко, А.А. Токарский, П.Л. Ерин, С.Н. 2016-05-16T20:39:03Z 2016-05-16T20:39:03Z 2013 Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов / А.А. Коноваленко, П.Л. Токарский, С.Н. Ерин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2013. — Т. 18, № 3. — С. 257-264. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100157 520.272.2: 621.396.677.3: 537.872 Получены соотношения для расчета эффективной поверхности (ЭП) произвольной антенной решетки, принимающей сверхширокополосный (СШП) сигнал, которая представлена как функция от направления прихода электромагнитной волны и ширины спектра сигнала. Полученные соотношения использованы для численного анализа ЭП и диаграмм направленности (ДН) плоской антенной решетки из 5×5 элементов над экраном, которая может служить прототипом секции фазированной антенной решетки радиотелескопа декаметрового диапазона волн. Приведены ДН этой решетки, рассчитанные для плоскостей E и H. Показано, что максимальная ЭП антенной решетки, принимающей СШП сигнал, близка по величине к ЭП на центральной частоте рабочей полосы, а ее угловая зависимость в результате частотного усреднения приобретает сглаженную форму, безлепестковую вне области главного лепестка с заметно уменьшенным уровнем. Одержано співвідношення для розрахунку ефективної площі (ЕП) довільної антенної решітки, що приймає надширокосмуговий (НШС) сигнал, яка представлена як функція від напрямку приходу електромагнітної хвилі та ширини спектра сигналу. Одержані співвідношення використано для числового аналізу ЕП і діаграм спрямованості (ДС) плоскої антенної решітки з 5×5 елементів над екраном, котра може служити прототипом секції фазованої антенної решітки радіотелескопа декаметрового діапазону хвиль. Наведено ДС цієї решітки, які розраховані для площин E і H. Показано, що максимальна ЕП антенної решітки, що приймає НШС сигнал, є близька за величиною до ЕП на центральній частоті робочої смуги, а її кутова залежність після частотного усереднення набуває згладженої форми, безпелюсткової поза областю головної пелюстки з помітно зменшеним рівнем. The relations for effective area calculation of arbitrary antenna array which receives ultra wideband signal are obtained. The effective area is presented as function of direction of electromagnetic wave arrival and signal bandwidth. The relations obtained are used for numerical analysis of effective area and radiation patterns of 5×5 elements planar antenna array placed above a screen, which could be a prototype of decameter wavelength radio telescope phased antenna array subarray. The array radiation patterns calculated for E and H planes are presented. The maximum effective area of antenna array receiving ultra wideband signal is shown to be close to the value of effective area at the central frequency of the range, and its angular dependence due to frequency averaging acquires smooth shape, being lobeless out of the area of the main lobe with significantly decreased level. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов Ефективна площа та характеристики спрямованості антенної решітки в режимі приймання надширокосмугових сигналів Effective Area and Directional Patterns of Antenna Array Operating in Ultra Wideband Signals Receiving Mode Article published earlier |
| spellingShingle | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов Коноваленко, А.А. Токарский, П.Л. Ерин, С.Н. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника |
| title | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов |
| title_alt | Ефективна площа та характеристики спрямованості антенної решітки в режимі приймання надширокосмугових сигналів Effective Area and Directional Patterns of Antenna Array Operating in Ultra Wideband Signals Receiving Mode |
| title_full | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов |
| title_fullStr | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов |
| title_full_unstemmed | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов |
| title_short | Эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов |
| title_sort | эффективная поверхность и характеристики направленности антенной решетки в режиме приема сверхширокополосных сигналов |
| topic | Антенны, волноводная и квазиоптическая техника |
| topic_facet | Антенны, волноводная и квазиоптическая техника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100157 |
| work_keys_str_mv | AT konovalenkoaa éffektivnaâpoverhnostʹiharakteristikinapravlennostiantennoirešetkivrežimepriemasverhširokopolosnyhsignalov AT tokarskiipl éffektivnaâpoverhnostʹiharakteristikinapravlennostiantennoirešetkivrežimepriemasverhširokopolosnyhsignalov AT erinsn éffektivnaâpoverhnostʹiharakteristikinapravlennostiantennoirešetkivrežimepriemasverhširokopolosnyhsignalov AT konovalenkoaa efektivnaploŝataharakteristikisprâmovanostíantennoírešítkivrežimípriimannânadširokosmugovihsignalív AT tokarskiipl efektivnaploŝataharakteristikisprâmovanostíantennoírešítkivrežimípriimannânadširokosmugovihsignalív AT erinsn efektivnaploŝataharakteristikisprâmovanostíantennoírešítkivrežimípriimannânadširokosmugovihsignalív AT konovalenkoaa effectiveareaanddirectionalpatternsofantennaarrayoperatinginultrawidebandsignalsreceivingmode AT tokarskiipl effectiveareaanddirectionalpatternsofantennaarrayoperatinginultrawidebandsignalsreceivingmode AT erinsn effectiveareaanddirectionalpatternsofantennaarrayoperatinginultrawidebandsignalsreceivingmode |