СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОГО АНТЕННОГО ПОЛЯ Российский патент 2022 года по МПК G01S5/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, радиоастрономии и протяженных антенных полей (АП), используемых в качестве остронаправленных эффективных антенн для исследования дальнего и ближнего космического пространства.

Определение координат оптимального расположения элементов является наиболее актуальной и до сих пор исследуемой задачей. Если располагать элементы неравномерно, то реализация преимуществ, даваемых использованием антенных решеток, сильно затруднена в связи с тем, что для формирования узкой диаграммы требуется большой раскрыв, а следовательно, и большее число элементов в решетке. Уменьшение числа элементов возможно, если располагать их на большем расстоянии друг от друга, но в этом случае при сканировании могут возникать интерференционные лепестки, не отличающиеся по величине от главного лепестка диаграммы направленности, что является нежелательным явлением для прецизионных задач радиолокации.

Имеющиеся в иностранных и отечественных публикациях данные о введенных в эксплуатацию гигантских антенных полях наземного базирования содержат мало сведений о принципах их проектирования и алгоритмах совокупного управления параметрами АП, о характеристиках излучения множества антенных элементов, в первую очередь, диаграммах направленности (ДН). Известные реализованные варианты различных АП свидетельствуют о том, что в основе их построения лежит принципы идентичности антенных элементов, входящих в состав АП (фиг. 1а). Это положение до сих пор является одним из основных условий справедливости применения теоремы перемножения для расчетов результирующих ДН группы совместно работающих антенн. В большинстве случаев расчет антенной решетки с треугольной сеткой дает выигрыш в уровне боковых лепестков при сохранении тех же межэлементных расстояний (фиг. 1в).

Методы решения задачи синтеза, изложенные в [1], применимы как к неэквидистантным, так и эквидистантным антенным решеткам, расположение облучателей в которых, будет зависеть только от формы требуемой ДН антенной решетки. В обычных часто решаемых задачах синтеза амплитудная и фазовая диаграмма считаются заданными, а определению подлежат амплитудное распределения тока между элементами и его фаза. Для обеспечения заданной ДН часто амплитудно-фазовое распределение тока должно принимать формы, которые практически трудно, а иногда и невозможно осуществить. Поэтому многие авторы пытались решать задачу синтеза не по заданной амплитудной ДН, но и по заданной амплитуде токов на раскрыве антенны (в случае зеркальной антенны, распределения ближнего поля в раскрыве рефлектора, пересчитанного апертурным методом из поверхностных токов), а определению подлежали фазовая диаграмма и фазовое распределение тока. При этом основной упор делался на подбор фазового распределения тока (фазовый синтез), так как к фазовой диаграмме редко предъявляются какие-то определенные требования, чаще она рассматривается косвенно [2]. Такого рода задачи в литературе принято называть смешанными задачами синтеза, а прикладное применение достаточно слабо освещено [3].

Основной метод их решения базируется на применении вариационного исчисления. Он обеспечивает минимум среднеквадратичного отклонения синтезированной и заданной ДН. Так, в [4] метод применяется для решения различных задач синтеза по заданной амплитудной ДН. В [5] предложен метод, основанный на применении вспомогательной функции, где заданную амплитуду токов на излучателе аппроксимируют степенным рядом, умноженным на вспомогательную функцию. В результате некоторых преобразований можно по заданной амплитудной ДН или амплитуде тока определить параметры излучающей системы (радиоинтерферометра, фиг. 2). На фиг. 2 представлена схема измерения характеристик неоднородного АП, включающая в себя калибровочный комплекс 1, сектор сканирования, на котором расположено антенное поле 2, состоящее из элементов антенного поля 3, и центр записи и обработки сигналов 6, а беспилотный летательный аппарат (БПЛА) 4 с установленной на нем антенной приема-передачи 5, следующий по траектории 7.

Для того чтобы можно было проводить расчеты совокупных ДН больших групп антенн различной эффективности с различными индивидуальными элементами, был использован новый метод интеграла Стилтьеса, позволяющий проводить интегрирование в неоднородных по структуре областях. С этой целью задаются две ограниченные функции, одна из которых непрерывная, определяет значение подынтегральной функции в точках интегрируемой области, а вторая, может быть дискретна и содержать разрывы 1-го рода в функции плотности поверхности интегрирования. Это дает возможность с помощью одного интегрального выражения провести вычисление ДН протяженного АП в дальней зоне от совместного действия множества разнородных антенн. Особенность этого подхода состоит в необходимости нормировки интенсивности всех антенн, входящих в состав АП относительно одной антенн с максимальным излучением (фиг. 3), например, опорного радиотелескопа (РТ). Отличие от математической формулы теоремы перемножения состоит в том, что множитель решетки определяется как

где F_n(θ,ϕ) - комплексная векторная ДН n-й антенны АП относительно своего ФЦ, cos(λ_(n))=x_n sinθcosϕ+y_n sinθ sin ϕ+z_n cosθ, где θ,ϕ - углы в сферической системе координат относительно центра излучения АП, определяемого из интегральных выражений интеграла Стилтьеса, x, y, z - координаты ФЦ n-ой антенны АП.

Известен своим практическим применение способ измерения фазового распределения многоэлементного крестообразного интерферометра [6] относится к измерениям и может быть использован в различных двумерных интерферометрах. Техническим результатом является сведение среднеквадратичных ошибок фазового распределения сигналов по апертуре к 5-6 градусам, что существенно улучшает форму диаграммы направленности крестообразного интерферометра, и это в свою очередь уменьшает ошибки анализа структуры двумерных изображений активных областей на Солнце. Указанный способ в десятки раз сокращает время получения фазового распределения по всей апертуре. Способ заключается в том, что анализируют спектр изображения малого локального источника на Солнце, построенного в системе координат направляющих косинусов, где фазовые искажения в антенно-фидерном тракте проявляются параллельно осям координат спектра пространственных частот соответствующих интерферометров.

Недостатком применения данного способа является применимость методики только для интерферометров, состоящих из одинаковых элементов с идентичными значения эффективной площади излучения.

Наиболее близким по технической сущности является изобретение [7], в котором обосновывается метод определения положения фазового центра (ФЦ) испытуемой антенны в СВЧ-диапазонах частот путем зондирования ее сверхширокополосными (СШП) сигналами со стороны излучаемой антенны, находящейся в дальней зоне по отношению к испытуемой и последующего измерения разности времен прихода сигналов при различных вариантах относительного взаимного расположения взаимодействующих антенн.

Однако применение [7] ограничивается тем, что граница дальней зоны для АП в связи с его большой протяженностью находится на относительно небольшом удалении от расположения АП.

Задачей изобретения является определение положения ФЦ в раскрыве АП, и обеспечение нахождения границы дальней зоны для АП в связи с его большой протяженностью на существенно большем удалении от расположения АП, чем в изобретении-прототипе и совершенствование его функционирования.

Результат достигается тем, что в угловом секторе существования максимальных значений амплитуды основной векторной составляющей электромагнитного поля, определяющий ДН, угловые координаты ориентации главного луча определяют методом корреляционной обработки приходящих сигналов, но в то же время это же направление отвечает условию совпадения положения ФЦ раскрыва АП с измеренным направлением максимума ДН, принимаемого за начало координат и обеспечивают нахождения границы дальней зоны для АП в связи с его большой протяженностью на большом удалении от расположения самого АП. То есть, по доказанному ранее утверждению [8], фазовая характеристики АП в этом направлении сферическая и АП может считаться для наблюдения в дальней зоне точечным источником, а геометрическое положение максимального значения поля в этой точке принимается за ФЦ АП.

Решающее отличие предлагаемой методики и алгоритмов построения и управления параметрами протяженного АП состоит в том, что при данном способе построения в состав АП могут входить различные остронаправленные антенны со своими значениями эффективности и комплексными ДН. Главные условия их суммируемости в одном согласованном направлении и формирования результирующей ДН состоят в том, что, во-первых, их взаимная ориентация всех антенн должна быть совпадающей, при этом положения ФЦ каждой антенны должны быть определены. С использованием идеологии интеграла Стилтьеса рассчитывается совокупный центр излучения всех антенн, в том числе и сосредоточенных в малых окрестностях общего раскрыва АП с известными паспортными значениями эффективных поверхностей этих антенн [9]. Тогда в рамках одного интегрального уравнения I рода - т.е. распределения плотностей электромагнитных полей, так и дискретные и непрерывные выражения Стилтьеса удается вычислить результирующую ДН, учитывающую в том числе разрывные дискретные значения плотности электромагнитных полей по поверхности интегрирования (фиг. 6), отвечающие сосредоточенным источникам, ассоциируемыми с отдельными изолированными антеннами. Это позволит внедрить метод интеграла Стилтьеса в процедуру расчета суммарных комплексных ДН протяженного АП. Для определения интегрируемой площади при решении Стилтьеса ставится задача определения многочлена

где a_n - нормированный весовой коэффициент n-ой антенны. В соответствии с методом интеграла Стилтьеса удельный вес каждой антенны определяется равным квадратному корню напряженности по основной векторной составляющей полей в апертуре (апертурный метод, метод физической оптики). Нормирование полного амплитудного распределения осуществляется относительно антенны с максимальным коэффициентом направленного действия (КНД) в составе антенной решетки и центром тяжести амплитудного распределения антенной решетки определяется на первом этапе в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для определения удельного коэффициента весовой функции предлагается использовать сумму амплитудных коэффициентов, разложенных по сферическим или пространственным координатам в пределах апертуры антенны

где ненормированный весовой коэффициент. Эти формулы позволяют непрерывной фракции найти ее разложение в ряд (фиг. 4). Обратная задача на разложение найти дробь неизбежно приводит к решению более или менее общей задачи моментов.

Другим определением весовых функция и степени взаимного влияния антенн в составе АП может являться способ нормировки плотности сторонних токов (это могут быть касательные составляющие напряженностей электрических и магнитных полей на поверхностных областях интегрирования) по отношению к одной из изолированных антенн всего АП с максимальным значением эффективной поверхности S_эфф, причем S_эфф = S_{геом *} КИП, где КИП - коэффициент использования поверхности. В простейшем случае можно разбить апертуру антенны на сектора, получая значения в ближней зоне прожекторного луча зеркальной антенны. Расчетным способом можно определить распределение поверхностных токов на участке зеркала, зная КИП, фокусное расстояние, длину волны и диаметр зеркала.

Найденный таким образом центр излучения АП принимается за общее начало координат и все парциальные ДН вначале рассчитываются относительно этого центра и затем суммируются с учетом фактического расположения этих антенн относительно общего начала координат (фиг. 5). Следует подчеркнуть, что относительно центра излучения АП выполняются аксиомы существования частичного ФЦ для фазовой характеристики комплексной объемной ДН в ее рассматриваемом сечении составляющей векторного электромагнитного поля. Данный метод позволяет повысить чувствительность антенной системы, эффективной площади, учитывая влияние других источников в пределах поля зрения антенны. Ожидается, что подобное внедрение метода повысит статистическую точность, позволит снизить ошибки, вызванные погрешностью калибровки, ионосферной сцинтилляции и взаимной связи. Это должно быть сделано в любом случае для полной характеристики телескопа с фазированной антенной решетки из-за зависимости от направления луча.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. Зелкин Е.Г., Кравченко В.Ф., Гусевский В.И., 2005.

2. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем. Теория и методы расчета. - М.: Сов. Радио, 1974.

3. Пистолькорс А.А. Построение антенн по заданной направленной характеристике. - Известия электр. Пром. И слабого тока, 1939, №1, с. 9.19.

4. Скляревич А.Н. Операторные методы в статической динамике автоматических систем. - М.: Наука, 1965.

5. Мартыненко B.C. Операционное исчисление. - Киев: Высшая школа, 1990.

6. Патент №2179727 Российская федерация, МПК H01Q 21/26 Способ измерения фазового распределения многоэлементного крестообразного интерферометра / Лесовой С.В., Васин В.И., Занданов В.Г.; заявитель и патентообладатель Институт солнечно-земной физики СО РАН; заявл. 24.02.2000; опубл. 20.02.2002.

7. Патент №2326393 Российская федерация, Способ определения положения фазового центра антенны / Миляев А.П., Калинин Ю.Н., Миляев П.В., Морев В.Л.; заявитель и патентообладатель ООО НИИ "ТРИМ"; заявл. 19.06.2006; опубл. 10.06.2008.

8. Гусевский В.И. Фазовая характеристика и фазовый центр линейных и плоских АР. - Радиотехника и электроника, 1991, т.36, №3, с. 433-441.

9. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: Том 1 / Г.М. Фихтенгольц - М.: Книга по Требованию, 2013. - 608 с.

Использование: изобретение относится к области радиоэлектроники, радиоастрономии и протяженных антенных полей (АП), используемых в качестве остронаправленных эффективных антенн для исследования дальнего и ближнего космического пространства. Сущность: способ заключается в том, что в угловом секторе существования максимальных значений амплитуды основной векторной составляющей электромагнитного поля, определяющий ДН, угловые координаты ориентации главного луча определяют методом корреляционной обработки приходящих сигналов, но в то же время это же направление отвечает условию совпадения положения фазового центра (ФЦ) раскрыва АП с измеренным направлением максимума ДН, принимаемого за начало координат и обеспечивают нахождения границы дальней зоны для АП в связи с его большой протяженностью на большом удалении от расположения самого АП. То есть по доказанному ранее утверждению, фазовая характеристики АП в этом направлении сферическая и АП может считаться для наблюдения в дальней зоне точечным источником, а геометрическое положение максимального значения поля в этой точке принимается за ФЦ АП. В планарных (двумерных) равноудаленных антенных решетках элементы чаще всего размещаются в узлах прямоугольной или треугольной сетки. Расстояния между излучателями выбираются в пределах одной длины волны на верхнем пределе частотного диапазона, что позволяет формировать диаграмму направленности с одним главным пучком и низким уровнем боковых лепестков. Получить необходимую направленность и низкий УБЛ можно, используя неравномерное амплитудное распределение в антенной решетке (например, Дольфа-Чебышева) или используя неэквидистантное расположение элементов антенной решетки. Технический результат: определение положения ФЦ в раскрыве АП, обеспечение нахождения границы дальней зоны для АП в связи с его большой протяженностью на существенно большем удалении от расположения АП и совершенствование его функционирования. 6 ил.

Способ построения протяженного антенного поля, заключающийся в том, что создают антенное поле и определяют положение фазового центра в его раскрыве, отличающийся тем, что в угловом секторе существования максимальных значений амплитуды основной векторной составляющей электромагнитного поля, определяющий ДН, угловые координаты ориентации главного луча определяют методом корреляционной обработки приходящих сигналов, но в то же время это же направление отвечает условию совпадения положения фазового центра раскрыва антенного поля с измеренным направлением максимума ДН, принимаемого за начало координат и обеспечивают нахождения границы дальней зоны для антенного поля в связи с его большой протяженностью на большом удалении от расположения самого антенного поля.