Широкополосные сфокусированные антенные системы и их применение в задачах радиосвязи и микроволновых технологиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Широкополосные сфокусированные антенные системы и их применение в задачах радиосвязи и микроволновых технологиях

Введение

электромагнитный широкополосный излучение

В настоящее время активно развиваются методы и средства фокусировки когерентного электромагнитного излучения в ограниченной области пространства. Использование в этих целях широкополосных и сверхширокополосных сигналов обещает повышение потенциала радиосвязи и улучшение технических и эксплуатационных характеристик микроволновых технологических и диагностических комплексов. Рассмотрению некоторых аспектов реализации широкополосного сфокусированного излучения и основных задач и посвящена данная работа.

К настоящему времени проведено значительное число исследований свойств сфокусированных антенн и практических разработок систем и устройств, опирающихся на принципы сфокусированных апертур. В апертурной теории антенн используется представление поля излучения антенны, как суперпозиции полей элементарных источников, характеризуемых их типом и амплитудно-фазовым пространственным распределением. Поле излучения антенны конечных размеров представляет собой суперпозицию неоднородных сферических волн, излучаемых элементами антенны.

В поле элементарного электрического источника выделяют две зоны: ближнюю зону (зону реактивного поля), соответствующую малым расстояниям до точки наблюдения и дальнюю зону, в которой поле имеет вид неоднородной сферической волны. Область пространства, заключенная между границами ближней и дальней зон, обычно называют промежуточной зоной, в которой можно выделить две области: примыкающая к границе ближней зоны и к границе дальней зоны. Для ряда приложений представляет интерес электромагнитное поле в ближней промежуточной зоне, называемой в литературе [1], зоной ближнего излученного поля.

1.Структура сфокусированного электромагнитного поля

электромагнитный широкополосный излучение

Электромагнитное поле в зоне ближнего излученного поля существенно отличается от случая дальней зоны и характеризуется специфической векторной структурой. Рассмотрим линейную антенну, образованную элементарным электрическим источником, ориентированным вдоль апертуры, рис. 1.

Рис. 1. К определению векторной структуры электромагнитного поля

В соответствии с выражением, определяющим значение напряженности электрического поля в среде без потерь:

получим выражения, полностью определяющие векторную структуру напряженности электрического поля

Пространственное распределение вектора Пойнтинга линейной сфокусированной антенны приведено на рис. 2.

Рис. 2. Пространственное распределение вектора Пойнтинга линейной сфокусированной антенны длиной , точка фокусировки на расстоянии .

Расчетные зависимости, типа приведенных, высвечивают ряд особенностей процесса переноса энергии для антенны, сфокусированной в зоне ближнего излученного поля:

1. движение энергии происходит от апертуры в направлении точки фокуса с последующим расхождением в пространстве (любопытно отметить, что вид картина расчетных значений напряженности электрического и магнитного полей, полностью соответствует геометро-оптическим представлениям в виде лучей, направленны в точку фокусировки);

2. зависимость мнимой части вектора Пойнтинга имеет более сложный характер. Во-первых, имеет место колебательный процесс в обоих направлениях - вдоль и поперек апертуры. Во-вторых, картина распределения вектора содержит чередующиеся участки с различными мгновенными значениями направления колебаний. Это, в частности, означает наличие ограниченных «очагов» колебательного процесса. Наиболее существенным является то, что колебательное движения энергии имеет место не только в направлении вдоль апертуры, но и в поперечном направлении, что идет вразрез с распространенным мнением о характере этого процесса, как имеющего место только вдоль апертуры.

Свойства плоских разреженных когерентных сфокусированных антенных решеток рассмотрены в работах [2-5]. Размеры области фокусировки, созданной с помощью объемных антенных решеток приведены в работе [6].

Особое место в принципах реализации сфокусированных апертур занимает использование широкополосных сигналов и отличительным свойством их использования является наличие частотных изменений характеристик излучения и приема. Для радиоустройств относительно узкополосных этими изменениями в полосе частот, соответствующих спектру радиосигнала можно пренебречь. По этой причине такие показатели как диаграмма направленности антенны, коэффициент направленного действия и др. считаются постоянными в полосе частот сигнала и, соответственно, вводятся для монохроматического сигнала. Для антенн сверхширокополосных радиоустройств эти изменения могут быть столь значительными, что пренебрегать ими невозможно и приходится изначально считаться с наличием заметной частотной зависимости характеристик направленности: . В этих условиях становится невозможным определить направленные свойства антенны в отрыве не только от спектрального состава излучаемого радиосигнала, но и способа его обработки в приемной аппаратуре. Поэтому само определение диаграммы направленности антенны в составе сверхширокополосных радиоустройств неоднозначным. Более того, считается, что в этих условиях может иметь место несовпадение диаграмм направленности в режимах передачи и приема.

2.Режимы передачи и приёма

электромагнитный широкополосный излучение

Режим передачи. При излучении антенной сверхширокополосного радиосигнала со спектром напряженность электрического поля, излучаемого антенной в направлении ( можно представить как:

Чтобы оценить интегральный эффект необходимо знать, каким именно образом используется энергии электромагнитного поля (4), для чего уже недостаточно информации об антенне. В зависимости от целей применения понятие, ДН наполняется различным смыслом. В ряде случаев, в частности в микроволновых технологиях, результирующий эффект можно оценивать энергией излучаемого сигнала в направлении (:

где и 2 _ средняя частота и полоса частот излучаемого сигнала

При радиоприеме мощность принимаемого сверхширокополосного сигнала может рассматриваться как результат осуществления линейной фильтрации с частотной характеристикой приемного устройства . ДН антенны в режиме передачи в этом случае определяется как:

Отличие ДН в формах (5) и (6) очевидно. Хорошо просматривается и другой факт: направленные свойства антенны в режиме передачи в известной мере зависят от свойств приемного устройства.

Режим приема. ЭДС, наведенная в антенне сверхширокополосным излучением со спектром , а, следовательно, и ДН в режиме приема, можно представить величиной . Линейный приемник осуществляет функцию взвешенного суммирования амплитуд колебаний в полосе [] с частотной характеристикой и ДН в режиме приема может определяться мощностью результирующего принятого сигнала:

Сравнение представлений диаграмм направленности (5) - (7) наглядно демонстрирует известный факт, который трактуется как отличие, в общем случае, ДН антенн по сверхширокополосному сигналу в режимах приема и передачи. [7] Для рассмотрения более строгих формулировок категорий «диаграмма направленности антенны», «коэффициент усиления», а также дополнительных свойств антенн в составе сверхширокополосных радиосредств для случая дальней зоны можно обратиться к работе [8].

Заключение

Практические варианты применения широкополосных сфокусированных антенных систем весьма разнообразны и включают в себя задачи постановки помех пунктам радиосвязи [9], организации перспективных ложных авиационных целей [10], проведения ближнепольных антенных измерений, повышения эффективности функционирования микроволновых технологических комплексов [11] и т.п.

Способы формирования и методы оценки сфокусированного поля в микроволновой технике также рассматриваются в [12].

Литература

электромагнитный широкополосный излучение

1.Антенны, сфокусированные в зоне ближнего излученного поля: монография / под общ. ред. Ю.Е. Седельникова, Н.А. Тестоедова // Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. -Красноярск, -2015. -308 с.

2.Веденькин, Д.А. Активные сфокусированные антенные решетки для радиотехнических средств малоразмерных летательных аппаратов / Д.А. Веденькин, Ю.Е. Седельников // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2008. -т.11, № 4. -с.40-46

3.Веденькин, Д.А. Параметры разреженных сфокусированных антенных решеток / Д.А. Веденькин, Ю.Е. Седельников // Наука и бизнес: пути развития. -2013. -№ 10 (28). -С. 56-59.

4.Веденькин, Д.А. Сфокусированные антенные решетки на базе беспилотных летательных аппаратов / Д.А. Веденькин, Ю.Е. Седельников // Глобальный научный потенциал. -2013. -№ 10 (31). -С.86-88.

5.Веденькин, Д.А. Сфокусированные антенны для систем радиосвязи с группой малоразмерных летательных аппаратов / Д.А. Веденькин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2007. -Т.10, № 5. -С. 36-38.

6.Веденькин, Д.А. Свойства объемных случайных антенных решеток, сфокусированных в зоне ближнего излученного поля / Д.А. Веденькин, Ю.Е. Седельников, А.Р. Насыбуллин, Н.В. Рябова, В.А. Иванов // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. -2015. -№ 12. С. 30-34.

Размещено на Allbest.ru