CC BY
156
УДК 621.391.677: 519.711.3 Якимов А.Н.
Россия, Пенза, Пензенский государственный университет
ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ АНТЕННЫ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация. Анализируются факторы, влияющие на характеристики излучения параболической антенны в реальных условиях эксплуатации. Предложены расчетные выражения для оценки помехозащищенности антенны. Проведен анализ полученных результатов.
Ключевые слова: антенна, характеристики излучения, помехозащищенность.
В реальных условиях эксплуатации характеристики излучения микроволновой антенны отличаются от расчетных в силу ряда причин. Например, для антенны в виде параболоида вращения можно отметить следующие причины погрешностей [1, 2]:
- поверхность зеркала имеет не точно параболическую форму, поэтому отсутствует синфазное распределение поля в плоской апертуре антенны;
- зеркало находится не в дальней зоне облучателя, поэтому вследствие кривизны зеркала и его конечной проводимости закон отражения выполняется только приближенно, в частности на краю зеркала возникают отклонения по сравнению с отражением от бесконечной идеально проводящей плоскости;
- облучатель не является точечным, поэтому фазовые фронты волн, падающих на зеркало, не являются сферическими поверхностями;
- центр излучения облучателя, который считается точечным, вследствие неточности изготовления или крепления может оказаться смещенным из фокуса, что также приводит к нарушению синфаз-ности распределения поля в плоской апертуре антенны;
- облучатель нарушает поле вторичного излучения, создаваемого зеркалом, вследствие дифракции этого поля на облучателе (явление затенения);
- поле вторичного излучения влияет также возбуждение облучателя и изменяет его характеристики излучения;
- энергия облучателя, не попадающая на зеркало вследствие прохождения его прямого излучения мимо зеркала или интерференции обратного излучения с вторичным излучением, также изменяет характеристики излучения антенны.
В конечном итоге погрешности, возникающие при изготовлении и эксплуатации антенн, приводят к ошибкам в распределении поля в раскрыве зеркала антенны, которые считают систематическими и случайными. Систематические ошибки возникают вследствие монотонного искажения профиля зеркала при его производстве, смещения облучателя из фокуса, затенения зеркала антенны облучателем и элементами его крепления и в ряде других случаев. Случайные ошибки являются следствием того, что недостаточна точность обработки поверхности зеркала, возникают случайные деформации поверхности антенны вследствие изменения температурных или ветровых нагрузок и других факторов [2, 3].
В реальных условиях эксплуатации зеркальных антенн симметричное изменение формы зеркала в первом приближении снова приводит к параболе [1], но с измененным фокусным расстоянием, что аналогично смещению облучателя в осевом направлении и вызывает приблизительно квадратичные фазовые погрешности в апертуре. При смещении центра излучения, который считается точечным, из фокуса возникают в зависимости от рода смещения линейные, квадратичные или фазовые погрешности более высокого порядка. Смещение облучателя перпендикулярно оси параболы приводит к линейной, а при значительном смещении - к кубической фазовой погрешности, смещение же вдоль оси - в первом приближении к квадратичной фазовой погрешности.
Систематические погрешности зеркальной параболической антенны, связанные с монотонными искажениями формы зеркала и искажениями при неправильном монтаже облучателя относительно отражателя, в определенной степени поддаются компенсации и коррекции в процессе настройки [3].
Случайные ошибки могут быть различными в отдельных экземплярах антенн, несмотря на их одинаковую конструкцию и методы изготовления. Учесть их заранее невозможно, а их влияние можно оценить только статистическими методами, позволяющими находить средние (для данного семейства антенн) характеристики направленности или среднее значение некоторых параметров (например, коэффициента направленного действия. Изучение влияния различных случайных факторов, ограничивающих потенциальные возможности антенн, является предметом исследования статистической теории антенн.
Помехозащищенности антенны принято оценивать через вероятность превышения уровнем ее диаграммы направленности (ДН) уровня помехи, что позволяет проводить необходимые расчеты для широкого класса антенн [2].
Рассмотрим антенну с осесимметричной ДН и примем ее одноплоскостную аппроксимацию. При таком представлении функция т$), описывающая пространственную ДН антенны по полю, является произведением, функций F(^) и F(9), описывающих ДН в ее главных сечениях (азимутальной и угломестной плоскостях соответственно), т. е. F((j),0) = F((j))*F(0) [4].
Типичная ДН реальной остронаправленной антенны в одной плоскости имеет вид, представленный на рис. 1. Для ее описания предложим математическую модель, позволяющую аналитически оценить помехозащищенность антенны для относительного уровня % помехи (по полю) на ее входе. Особенностью математической модели является расширение класса используемых функций для описания ДН антенны за счет комбинации известных функций, описывающих ДН антенны на ее отдельных угловых интервалах.
Рис. 1. Типичная ДН остронаправленной антенны Пусть главный лепесток ДН описывается функцией [5]:
F (ф) = A cos'
90 ф
n arcsin (X /1)
(1)
а боковые лепестки ДН — функцией
n + N — 0,5 I c(n_1)дф
Ч ( ) ф Sin
Кб (ф)=Fm
мб
n + 0,5
e
18°(ф- иАф )
А,„
(2)
где - A, F - амплитудные коэффициенты;т , n— параметры, учитывающие ± мб
пестка ДН и связанные с распределением поля антенны; X - длина волны в
форму главного ле-свободном простран-
стве; I - линейный размер антенны; b, С - параметры, характеризующие огибающую боковых лепестков; f (ф), F (ф) - функции, описывающие главный и боковые лепестки ДН (по полю); д = arcsin(X /1)' N - номер бокового лепестка.
Помехозащищенность антенны определяется угловым интервалом ф, чувствительности к помехе заданного уровня [2]:
/(х) = (ф£/18°)2, (3)
N
где _ л ; cd_ , ф — интервалы углов в пределах главного и бокового лепестков ДН
ф2=фг + 2 !>б ; фг ' фб
i=1
чувствительные к помехе заданного уровня; n = (180—n Д )/(2Д ) — максимальный номер бокового лепестка.
Из выражений (1) и (2), с учетом соотношения (2.1.12), получим
_ 1 ~ т
1 Л ф = — n Д,„ arccos г 90 ф
( (2X0—х)|
10 20
A
(4)
фб =Дф— 2фб
(5)
где
д.
ф = —— arcsin б 180
, г\ с \b (2х0 х Fm6 )
n + 0,5 I 10 20 с(1—N )Дф
n + N — 0,5
(6)
Ч
У
X0 — фиксированный порог чувствительности приемника (no полю), пересчитанный относительно входа антенны, дБ; х - относительного уровня помехи (по полю) на ее входе, дБ; Кш - максимальный уровень боковых лепестков ДН, дБ.
Выражения (3) - (6) удобны для расчета на компьютере и позволяют исследовать помехозащищенность антенны при различных порогах чувствительности приемника радиолокатора, уровнях помех и боковых лепестков ДН. Параметры n = 3, IjX = 27, т = 1, b = -3,26, c = 0,035, позволяют аппроксимировать типичную ДН антенны радиолокатора [5].
Расчеты помехозащищенности / антенны радиолокатора для ДН с уровнем боковых лепестков, максимум которых не превышает = -20 дБ показали следующее. С уменьшением уровня помехи х вероятность проникновения ее в приемник радиолокатора / уменьшается в соответствии с кривыми 1 - 6, приведенными на рис. 2.
2
Рис. 2. Кривые зависимости помехозащищенности антенны f от уровня помехи Х
Кроме того, кривые 1 — 6, рассчитанные для значений Хо , равных -10; -20; -30; -40; -50 и -60 дБ соответственно, позволяют определить снижение помехозащищенности радиолокатора с ростом чувствительности его приемника. Так, при Хо = -30 дБ (см. рис. 2, кривая 3) , уменьшение помехи Х с -20 до -40 дБ снижает вероятность проникновения помехи f с 10-2 до 1, 1-10 _3. Повышение чувствительности Хо от -20 дБ (см. рис. 2, кривая 2) до -40 дБ (кривая 4) при уровне помехи Х = -20 дБ увеличивает вероятность проникновения помехи f с 1, 1-1 0 ” 3 до 4, 5-1 0 ” 2.
Кривые 1 - 5, приведенные на рис. 3 и рассчитанные для случаев равенства Хо = Х = -20; -30; -40; -50 и -60 дБ соответственно, позволяют оценить вероятность проникновения помехи f при различных уровнях боковых лепестков ДН Еш для различных чувствительностей приемника Хо .
Рис. 3. Кривые зависимости вероятности проникновения
помехи
f
т максимального УБЛ ДН для
различных Хо
При этом подтверждается, что с ростом чувствительности Хо помехозащищенность ухудшается, а ее максимум достигается при меньших уровнях боковых лепестков.
Таким образом, полученные математические выражения позволяют учесть влияние изменения ширины главного и уровня боковых лепестков ДН на помехозащищенность антенны. Именно эти параметры изменяются при внешних возмущающих воздействиях на антенну в реальных условиях эксплуатации.
Исследование влияния различных внешних воздействий на конструкцию антенны и ее характеристики излучения [6, 7] позволят оптимизировать конструкцию антенны по минимуму их влияния и
добиться максимальной помехозащищенности антенны, т.е. минимальной вероятности проникновения помехи в приемник радиолокатора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кюн Р. Микроволновые антенны/ Р. Кюн// Пер. с нем. - Л.: Судостроение, 1967. - 518 с.
2. Якимов А. Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий: монография / А. Н. Якимов. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 260 с.
3. Воробьев Е.А. Расчет производственных допусков устройств СВЧ/ Е.А. Воробьев. - Л.: Судостроение, 1980. - 148 с.
4. Драбкин А.Л. Антенно-фидерные устройства/ А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. - М.: Сов. радио, 1974. - 536 с.
5. Якимов А.Н. Оценка параметров диаграммы направленности антенны, влияющих на помехозащищенность вторичного радиолокатора/ А.Н. Якимов// Вопросы радиоэлектроники. - Сер. ОВР, 1991. -
Вып. 7. - С. 60 - 65.
3
6. Якимов А.Н. Моделирование взаимного влияния возмущающих объектов на излучение параболической антенны/ А.Н. Якимов. - Надежность и качество- 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 1 т. - С. 106-108.
7. Шишулин Д.Н. Моделирование влияния вибрационных воздействий на излучение параболической антенны/ Д.Н. Шишулин, А.Н. Якимов. - Надежность и качество - 2012: труды Международного симпозиума: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - т. 1 - С. 250-252.
4
