CC BY
205
УДК 621.396.67.001.24
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВЫСОТЫ И ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ СЛУЧАЙНЫХ АНТЕНН В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ
С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет
Приводятся расчетные и экспериментальные методы определения основных характеристик пространственно-распределенных случайных антенн в широкой полосе частот. Анализируется специфика случайных антенн, влияющая на их параметры в режимах приема и излучения электромагнитных волн
Ключевые слова: полоса частот, действующая высота антенны, ПРСА, оптимизационная задача
1. Введение
В настоящее время в связи с усложнением проблемы обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС) большой научный и практический интерес представляет изучение свойств пространственно-распределенных случайных антенн (ПРСА). В отличие от специально разработанных и сконструированных штатных антенн РЭС такие случайные антенны представляют собой проводники и элементы с зачастую априорно неизвестной сложной конфигурацией. Классификация и свойства ПРСА исследованы в работах [1,2]. Вследствие комбинированной в общем случае гальванической, емкостной и индуктивной связи элементы СА формируют или принимают электромагнитные излучения, влияющие на качество работы РЭС и технических средств.
Неопределенность геометрических и физических параметров (размеры, физические свойства, взаимное пространственное положение элементов, поляризация) приводит к сложности в определении электрических характеристик таких антенн. Характерными отличиями случайных антенн от регулярных, влияющими на их электрические характеристики, являются:
- случайный характер размещения и возбуждения линейно протяженных, пространственно-распределенных или плоскостных токопроводящих элементов (цепи сигнализации, управления, заземления, электропитания, водопроводные и отопительные коммуникации, проводники, платы, панели и др.);
- трудности моделирования ПРСА, которые препятствуют достоверному расчету характеристик таких антенн, например, действующей длины или эффективной площади;
- наличие многочисленных паразитных связей между элементами случайной антенны гальванического, индуктивного и (или) емкостного характера;
- неявно выраженная либо отсутствующая у ПРСА полезная или паразитная радиотехническая несогласованная нагрузка;
- наличие в составе ПРСА элементов с нелинейными электрическими свойствами (окисные контакты, радиодетали с нелинейной вольт-амперной
характеристикой, индуктивности, параметрические контуры и др.).
Задача определения основных антенных характеристик резонансных и апертурных ПРСА, таких как действующая высота, эффективная площадь имеет значение для решения прикладных задач, связанных с обеспечением ЭМС РЭС и защиты информации. Проблемы с выявлением нагрузки у ПРСА могут быть частично компенсированы определением наряду с антенными электрическими характеристиками и эффективной поверхности рассеяния (ЭПР). Знание соотношения между ЭПР и эффективной площадью такой антенны позволяет судить о свойствах ПРСА: является ли она паразитной антенной или пассивным ретранслятором электромагнитных волн.
Целью данной статьи является обоснование предложений по расчетным и экспериментальным методам определения основных электрических характеристик ПРСА.
2. Обоснование основных характеристик ПРСА
Определение 1. Действующей высотой передающей ПРСА является действующая высота такой эквивалентной ей по свойствам неслучайной резонансной антенны простой геометрической формы, которая определяется как коэффициент пропорциональности между напряженностью поля, создаваемой эквивалентной антенной, и напряжением, поданным на ее вход:
Не . (1)
т
Е
Определение 2. Эффективной площадью передающей ПРСА является эффективная площадь такой эквивалентной ей по свойствам неслучайной апертурной антенны простой геометрической конструкции, которая определяется как коэффициент пропорциональности между мощностью сигнала, поданной на вход эквивалентной антенны и плотностью потока мощности создаваемого ей излучения в осевом направлении:
Р.
с _ т
V -п
(2)
Панычев Сергей Николаевич - ВИ ФСИН, д-р техн. наук, доцент, тел. 8-915-583-90-02 Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-871-87-04
Определения 1 и 2 позволяют оценивать действующую высоту и эффективную площадь передающих случайных антенн в общепринятой терминологии, причем как для ПРСА с выраженной, так и для ПРСА с явно не выраженной радиотехнической нагрузкой.
Определение 3. Показатель вида
А = /а . е/
(3)
а - ЭПР случайной антенны, характеризует свойства ПРСА: чем больше эффективная площадь, тем более явно выражены антенные свойства ПРСА и эта случайная антенна имеет поглощающую радиотехническую нагрузку и, наоборот, чем больше ЭПР случайной антенны, тем более явно выражены рассеивающие свойства ПРСА (в пределе антенна не имеет нагрузки, даже рассогласованной).
3. Принцип невзаимности коэффициентов усиления случайных антенн на передачу и прием
Для регулярных антенн справедлив принцип взаимности (обратимости): коэффициент усиления (КУ) приемной антенны соответствует КУ этой же антенны при работе ее на передачу. Однако для ПРСА этот принцип не выполняется. Расхождение КУ случайных антенн на прием и на передачу объясняется следующим.
Рассмотрим ситуацию работы ПРСА на прием. При облучении случайной антенны внешним электромагнитным полем значительная часть падающей на нее электромагнитной энергии излучения отражается в обратном направлении и рассеивается в пространстве в других направлениях рассеивающими элементами ПРСА. Это явление обусловлено тем обстоятельством, что в общем случае элементы ПРСА распределены в пространстве, она не имеет явно выраженной радиотехнической нагрузки для поглощения падающей на нее энергии либо рассогласована с имеющейся нагрузкой. ПРСА не имеет важнейшего свойства регулярной антенны: поглощения большей части электромагнитной энергии, падающей на нее, в согласованной нагрузке. КПД таких антенн в большинстве случаев чрезвычайно низок, поэтому коэффициент усиления также невысок.
В случае работы ПРСА на передачу условия передачи энергии от эквивалента радиотехнической нагрузки или источника первичного излучения в сторону излучения электромагнитной волны в общем случае отличаются от условий, характерных для приема радиоволн случайной антенной, поэтому коэффициенты усиления ПРСА на передачу и прием закономерно отличаются.
Следует отметить, что в отличие от принятого в антенной технике подхода (КПД определяется омическими потерями на сопротивлении излучения) КПД случайной антенны учитывает потери на рассеяние радиоволн, а также потери, обусловленные рассогласованием нагрузки с антенной. Как известно [ 3 - 15 ], эффективная поверхность рассеяния антенн имеет две составляющие: антенную и структурную. В случайных антеннах более явно выражена структурная составляющая. Структурная
составляющая ЭПР ПРСА обусловлена рассеянием электромагнитных волн на отражающих элементах конструкции антенны. Антенная составляющая ЭПР зависит от условий согласования антенны с нагрузкой и закономерно проявляется в случайных антеннах, поскольку часть электромагнитной энергии, падающей на антенну, возвращается в
обратном направлении из-за отражения от несогласованной по волновому сопротивлению нагрузки. При работе на передачу случайная антенна имеет другие условия для формирования электромагнитного поля в пространстве, а именно:
- направление передачи электромагнитной энергии в случайной антенне меняется на противоположное, при этом передаточная характеристика тракта прохождения энергии изменяется;
- антенная и структурные составляющие рассеяния при излучении отсутствуют;
- при одинаковых значениях мощности на входе антенны при работе на передачу и мощности на выходе антенны при работе ее на прием плотность потока мощности в зоне ее излучения (приема)
отличается при Пт = ПГ ■П,П ^ ПГ .
Таким образом, в случайных приемных антеннах в отличие от регулярных антенн значительная часть падающей электромагнитной энергии рассеивается в пространстве за счет наличия структурной и антенной составляющих ЭПР. В большинстве случаев ПРСА работает как некачественная антенна и одновременно как рассеиватель (отражатель) радиоволн.
Количественно степень отличия ПРСА от регулярной антенны может быть оценено на основании показателя (3). Чем больше значение этого показателя, тем более ПРСА обладает свойствами реальной антенны.
4. Связь между действующей высотой и коэффициентом усиления ПРСА
Для нахождения аналитической взаимосвязи между действующей длиной и коэффициентом усиления ПРСА используем соотношения (1) и (2). Для этого воспользуемся также известным соотношением
]2
, (4)
е/ = 4ж
где Я - длина волны излучения;
в - коэффициент направленного действия антенны (КНД), который связан с коэффициентом усиления (КУ) через коэффициент полезного действия (КПД):
Я = 1Ю. (5)
Создаваемая случайной антенной плотность потока мощности (ППМ) определяется по формуле
72
П =
Е
120^
(6)
где 120 п = 377 Ом - сопротивление излучения свободного пространства.
Мощность на входе ПРСА можно рассчитать на основании формулы
т2
Р =
и2 я.
т
где я - входное сопротивление ПРСА. Подставляя (5) и (6) в (2), имеем
С _ и^игп
в/ = Е2К.
гп
Выразим входное напряжение:
(8)
и. = Е
гп
С К в/ гп
(9)
120^ "
После подстановки (8) в (1) получим функциональную связь между действующей высотой и эффективной площадью случайной антенны:
кв =
С К в/ гп
120ж
(10)
Используя (3) и (4), несложно получить искомую связь между действующей высотой и коэффициентом усиления случайной антенны:
кв =
х мЩ
гп
(10)
480
Полученные формульные зависимости позволяют определять основные электрические характеристики ПРСА при ограниченных исходных данных о случайных антеннах. Часть этих характеристик может определяться
экспериментально.
5. Нелинейные эффекты в ПРСА и их влияние на антенные характеристики
Рассмотренные параметры случайных антенн, а именно действующая высота и эффективная площадь являются частотно--зависимыми. На практике в ПРСА возникает большое количество нелинейных эффектов, особенно при облучении их сигналами большой мощности. Указанные эффекты проявляются в широкой полосе частот, особенно при облучении случайных антенн многочастотными сигналами. Объясняется это тем, что в составе ПРСА могут присутствовать элементы с нелинейными электрическими свойствами, например окисные биметаллические контакты, транзисторы, диоды, микросхемы, дроссели с ферритовыми сердечниками, платы с набором элементов и проч. При их облучении одночастотным сигналом возникают нелинейные отклики на частотах гармоник сигнала (если ПРСА имеет параметрические свойства, то возникают излучения на субгармониках). При облучении случайных антенн двухчастотным сигналом нелинейные отклики образуются на комбинационных частотах
(11)
-4= т/1 п/2,
где т, п - целые числа.
В таких случаях возникает необходимость определения характеристик антенн в широкой полосе частот на комбинационных частотах, что представляет собой значительно более сложную техническую задачу. Однако в ряде практически важных случаев, например, если случайная антенна представляет собой регулярную антенну, работающую за пределами своего частотного диапазона, для определения характеристик ПРСА можно использовать известное соотношение между
ЭПР и КУ рассогласованной с нагрузкой антенны [8, 11]:
а = а^+аа = уОЗп- +
С
gхX Ки-1
4ж Ки+1
2
. (12)
где а
я
а
а
соответственно, структурная и
антенная составляющие ЭПР антенны;
V - коэффициент использования поверхности антенны (КИП);
Sg - геометрическая площадь поверхности
антенны;
К
и
коэффициент стоячей волны по
напряжению (КСВН) в антенном тракте.
6. Экспериментальные методы
определения характеристик ПРСА
Как следует из анализа приведенных выше формул, для определения важнейших характеристик случайных антенн требуется целый ряд исходных данных, при этом только часть из них могут быть определены расчетным путем, а остальные требуют экспериментального измерения. Наиболее просто измеряются такие характеристики, как КСВН, геометрическая площадь, входное сопротивление антенн, а также интенсивность создаваемого ими электромагнитного поля. Измерения ЭПР антенн в широкой полосе частот сопряжены с необходимостью применения дорогостоящего измерительного оборудования и специальных методик измерения.
В качестве примера определения характеристик случайной антенны приведем методику экспериментально-расчетной оценки эффективной площади ПРСА, которая образуется в измерительной установке для анализа высокоинтенсивных СВЧ-излучений (например, РЛС). Из-за недостаточно качественного экранирования измерительного приемника на выход последнего полезный сигнал принимаемого и измеряемого сигнала излучения поступает не только через калиброванный измерительный тракт (от измерительной антенны до выхода приемника), но и через случайную антенну (по цепям питания, заземления, коммутации, управления, путем просачивания через экран и т.д.). Требуется оценить эффективную площадь такой ПРСА. Поставленная задача может быть решена следующим образом.
От входа измерительного приемника отключают измерительную антенну. Коаксиальный вход измерительного приемника нагружают на согласованное экранированное сопротивление.
В месте размещения измерительного приемника создают калиброванное
электромагнитное поле с известной плотностью потока мощности П.
В соответствии с техническим описанием на измерительном приемнике измеряют уровень мощности паразитной наводки, приведенный ко входу приемника Рр.
Рассчитывают эквивалентную эффективную площадь исследуемой ПРСА по формуле
Sq = Pp / П . (13)
При необходимости корректируют реальную эффективную площадь измерительной антенны путем вычитания из паспортного значения штатной измерительной антенны эквивалентной эффективной площади ПРСА.
7. Заключение
Отсутствие явно выраженной
радиотехнической нагрузки, отличие условий генерации и приема электромагнитных сигналов и помех в ПРСА и другие специфические особенности случайных антенн диктуют необходимость поиска достоверных методов оценки их параметров и характеристик в широкой полосе частот. В статье в постановочном плане определены некоторые возможные методические подходы к определению важнейших характеристик ПРСА расчетными и экспериментальными методами. Наиболее важными, на наш взгляд, являются следующие результаты: введен новый классификационный показатель для оценки преобладающих свойств случайной антенны (3), получены соотношения между действующей высотой и коэффициентом усиления ПРСА, предложена простая экспериментальная методика определения эффективной площади случайной антенны.
Таким образом, предложенная процедура решения задачи оптимизации (2),(3) основана на комбинированном использовании методов теории многоуровневых иерархических систем
(декомпозиции задачи большой размерности на подзадачи меньшей размерности и координации решений подзадач) и количественных методов оптимизации.
Литература
1. Формализованный подход к генерации рациональных вариантов развития системы испытаний техники радиоэлектронной борьбы [Текст] / С.Н. Панычев, Д.М. Бывших, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10, № 3-1. - С. 71-75.
2. Волков, А. В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области [Текст] / А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9, № 4. - С. 12-14
3. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10, № 5. - С. 94-98
4. Расчетно-инструментальный метод анализа прохождения случайного процесса через нелинейную цепь [Текст] / С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.Е. Ломовских // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10, № 5. - С. 109-113.
5. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / В.М. Питолин, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник
Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9, №. 6-3. - С. 45-48.
6. Самоцвет, Н.А. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров [Текст] / В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9, №. 5-1. - С. 3436.
7. Панычев, С.Н. Алгоритм формирования имитационных помех с заданными спектральными и информационными свойствами [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, С.В. Канавин // Радиолокация, навигация, связь (RLNC- 2013): труды XIX Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2013. - Т. 3. - С. 2012-2017.
8. Суровцев, С.В. Когнитивный алгоритм корреляционно-фильтровой обработки сложных сигналов на фоне гауссовых шумов [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет / Радиолокация, навигация, связь (RLNC- 2014): труды XX Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2014.- Т. 4. - С. 2000-2008.
9. Маслов, О.Н. Случайные антенны [Текст] / О.Н. Маслов // Электросвязь. - 2006. - № 7. - С.12-15.
10. Маслов, О.Н. Многоканальные случайные антенны [Текст] / О.Н. Маслов, М.А. Соломатин, А.Б. Орлов // Инфокоммуникационные технологии. - 2007. -Т.5, № 4. - С.47-52.
11. Бененсон, Л.Д. Рассеяние электромагнитных волн антеннами [Текст] / Л.Д. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. XXXIII, № 2. -С. 225 - 245.
12. Воскресенский, Д.И. Эффективная поверхность рассеяния остронаправленных антенн и антенных решеток [Текст] / Д.И. Воскресенский, Л.И. Пономарев, А.В. Шаталов // Вопросы снижения эффективной поверхности рассеяния; под ред. П.Я. Уфимцева. - М.: ИРЭ РАН, 1989. - С. 117 - 125.
13. Панычев С.Н. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучаюшцх систем в ближней зоне [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Измерительная техника. -1995. - № 5. - С. 56 - 58.
14. Гладышев, А.К. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС [Текст] / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. -1995. - № 2. - С. 48 - 50.
15. Панычев, С.Н. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток [Текст] / С.Н. Панычев, В.Б. Еремин // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - № 8. -С. 61 - 70.
16. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенны на энергетические параметры спутниковых систем связи [Текст] / С.Н. Панычев // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 2001. - № 3 - 4, С. 74 - 79.
17. Панычев, С.Н. Косвенный метод определения структурной составляющей рассеяния антенны. [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Радиопромышленность: сб.тр., - 1993. - С. 60 - 62.
18. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения плотности потока энергии электромагнитного поля. [Текст] / С.Н. Панычев, П.М. Мусабеков // Метрология. - 1998. - № 6. - С. 36 - 41.
19. Панычев, С.Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ [Текст] / С.Н. Панычев // Антенны. - 2001. - Вып. 5 (51). - С. 68 - 70.
20. Гладышев, А.К. Оценка возможности применения измерительных антенн в качестве рабочих мер ЭПР [Текст] / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. - 1993. - № 2. - С. 57 - 59.
21. Ибрагимов, Н.Г. Методика и результаты эксперимента по исследованию характеристик отражения рупорной антенны в широком диапазоне частот [Текст] /
Н.Г. Ибрагимов, С.Н. Панычев, В.А. Савинов // Антенные измерения. - Ереван. - 1990. - С. 191 - 192.
22. Кузнецов А.А. Характеристики рассеяния линейных вибраторных решеток Ван-Атта [Текст] / А.А. Кузнецов // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - № 5. - С. 37 - 43.
Воронежский государственный технический университет
Воронежский институт Федеральной службы исполнения наказаний России
METHOD OF THE CASUAL ANTENNAS OPERATING HEIGHT AND EFFECTIVE AREA DETERMINATION IN A WIDE STRIP OF FREQUENCIES
S.N. Panychev, N.A. Samotsvet
Calculation and experimental methods definitions of the main characteristics of the spatial distributed casual antennas in a wide strip of frequencies are given. The specifics of casual antennas influencing their parameters in the modes of reception and radiation of electromagnetic waves are analyzed
Key words: a strip of frequencies, the operating height of the antenna, PRSA, an optimizing task
