автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Эффективная избирательность антенн в рассредоточенных пространственных группировках РЭС

ргб од

,.-,-> /--¡""Белорусский государственный университет | ' информатики и радиоэлектроники

УДК 521.396.6? Нз правах рукописи

ЛОЖА СЕРГЕИ ЛЕОНИДОВИЧ

ЭФФЕКТИВНАЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ АНТЕНН В РАСОРЕДОГОЧЕШШХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ. ГРУППИРОВКАХ РЭС

Специальность 05.12.21 "Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ. и технологию их производства"

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация На соискание ученой степени кандидата ' технических наук

Минск - 1(395.

Работа выполнена в Белорусском государственном университета информатики и радиоэлектроники.

Научный руководитель - к.т.н., с.н.о. Мордачев В.И.

Ошонвшы: д.т.н., проф. О.А.Юрцев к.т.н., проф. В.А.Кравцов

Ведущая организация: Минский научда-исследоваталъский приборостроительный институт

Защита состоится "16 " февраля 1995г. в 14 часов на заседании совета по защите диссертаций д 066.06.01 по присуждению ученой степени Кандидата технических наук в белорусском государтсвенном университете юформатаки и радиоэлектроники -220027, г.Минск, ул. П.Бровки, 6. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат раеослан " " января ■ 1995г. Ученый секретарь совета рд защите

диссертаций Д 056,05.01 доктор технических ..........

наук, профессор —.В.Баранов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В последнее время в связи с бурным развитием радиоэлектроники и все возрастающей значением радиоэлектронных средств <РЭС) в условиях современного научно-технического прогресса становятся все более актуальными проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) ГОС. В процессе анализа и обеспечения ЭМС РЭО используется большое количество частных параметров ЭМО радиоэлектронных систем и устройств, которые отражают отдельные аспекты их непреднамеренного мешагацего взаимодействия. Их большое количество определяет сложность, трудоемкость, а в отдельных случаях - и неоднозначность анализа и испытаний на ЭМС. В этой связи представляет интерес использование обобщенных системных параметров ЭМО радиоэлектронных систем и устройств, которые позволяют провести взвешенную оценку "неидвальности" их характеристик с учетом опасности проявления каждого вида "невдеальности" характеристики в ожидаемых условиях эксплуатации. Системные характеристики ЭМС обеспечивают "статистическую свертку" большого количества частных параметров ЭМО до одного или нескольких обобщенных системных параметров. Это позволяет значительно упростить процедуру анализа и испытаний на ЭМС, а также уменьшить их трудоемкость и стоимость. 1фи этом целесообразным является использование вероятностно-статистических методов, что обусловлено случайным характером формирования непреднамеренных поме/ (случайный режим функционирования РЭО и их размещение, случайное изменение обстановки с течением времени и т.п.) и их большим количеством.

Значительную роль в обеспечении ВМС РЭС играют антенны. Они обеспечивают пространственную, поляризационную и, в ряде случаев, частотную избирательность, способствуя тем самым решению проблемы ЭМС. Ес*и ранее при разработке и конструировании антенн основное

внимание уделялось тагам их параметрам, как усиление, согласован-нооть, диапазонностъ и т.п., то в настоящее время невозможно себе представить современную антенную систему, при разработке которой не были бы учтены вопросы ЭМС. В ряде случаев требования ЭМС оказываются настолько жесткими, что их выполнение приводит к ухудшению основных параметров антенны (коэффициент усиления и т.п.). Из 30 основных параметров радиоэлектронного оборудования , оказыващих влияние на ЭМС, 12 параметров определяются антенной системой. Роль антенн в обеспечении ЭМС достаточно подробно освещена в литературе. Однако недостаточно проработаны вопросы системного плана, связанные с определением места антенных методов в общей стратегии обеспечения ЭМС, в соотношении зтих методов о Сигнальными, аппаратуртными, частотно-территориальными, организационными и другими. Для характеристики антенны с точки зрения ЭМО используется большое количество частных параметров (ширина главного лепестка, средний уровень боковых лепестков, уровни отдельных боковых и ваднего лепестков и т.п.), что существенно усложняет процедуру анализа и испытаний на ЭМС.

Одним из распространенных вариантов оценки избирательности радиоприемных устройств (РГО) является анализ их элективной избирательности (ЗИ). Однако, с одной стороны, именциеся работы в области анализа аффективной избирателыюста РПУ слабо учитывают статистические особенности и многообразие условий эксплуатации РЭС хотя бы применительно к их рассредоточенным пространственным группировкам, а с другой стороны, практически отсутствуют исследования, посвященные эффективной избирательности антенн, что существенно затрудняет объективный анализ влияния различных видов неидеальности юс характеристик избирательное™ на ЭМС РЭС.

Повышение требований к характеристикам антенных систем приводит к услокненюо измерений, проводимых с одним образцом, и вызывает

повышение требований к точности антенных измерений. Автоматизация процесса измерений характеристик антенн позволяет значительно сократить ик время и стоимость.

Все Ешесказадаое подчеркивает актуальность и необходимость системного анализа характеристик Эй антенн с точки зрения их роли в решении проблемы ЭМО, а также разработки практических методик обобщенной системной оценки характеристик избирательности и ЭМО антенн и разработки технических предложений по измерению характеристик избирательностиантенн, включая их эффективную избирательность.

Целью работа является системный анализ избирательных свойств различных типов линейных и адертурных антенн с точки зрения ЭМО и разработка технических предложений по измерению характеристик избирательности антенн, вкдачая их эффективную избирательность.

Задачи работы. В диссертационной работе решаются следующие задачи:

I. Системный анализ избирательных свойств различных типов линейных и апертурных антенн и решеток применительно к рассредоточенным пространственным группировкам (Е!Г) РЭО.

Анализ снижения динамического диапазона мешанцих сигналов в РПГ РЗС за счет избирательных свойств антенн.

3. Приближенная оценка эффективной избирательности антенн.

4. Разработка технических предложений по контролю эффективной избирательности антенн.

Научная новизна работы заключается в том, что в работе впервые выполнен системный анализ характеристик избирательности антенн применительно к условиям РПГ РЭО я разработаны технические предлогенкя по контролю обобщенных характеристик Эй антенн для различных условий эксплуатации.

На защиту выносятся следувдие основные результаты:

- аналитические выражения для расчета о-парамэтра различных типов линейных и апертурных антенн и антенных решеток;

- приближенные формулы для расчета о-параметра антенн;

аналитические; оценки снижения динамического диапазона мешающих сигналов в РПГ РЭС аа счет избирательных свойств антенн;

структурные схемы устройств измерения характеристик избирательности антенн.

Методика исследования базируется на статистической теории ЭМС, системном анализе, математическом моделировании, теории асимптотических оценок и теории антенн.

Новые практические результаты работы составляют аналитические выражения для расчета параметров эффективной избирательности различных типов антенн и антенных решеток, программы для расчета ЭИ антенн в среде матнсао и на языке Си и структурные охемы устройств измерения характеристик избирательности антенн.

Практическая ценность результатов работы заключается в уменьшении сложности, трудоемкости, стоимости и повышении адекватности анализа ЭМС в РПГ РЭС и в повышении производительности и расширении функциональных возможностей антенных измерений.

Апробация работы,-Основные научные положения и результаты диссертационной работа изложены в 11 работах. В их числе 2 отчета о НИР, 7 докладов на научно-технических конференциях и симпозиумах.

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Объем работы составляет 190 е., в том числе 131 с. машинописного текста, 82 рисунков на 46 страницах, списка использованных источников из 109 наименований на 11 с., трех приложений на 13 о.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены научные задачи и цель исследования, изложены научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе на основе анализа известных методов оценки и обеспечения ЭМС РЭС с тамощыз антенной техники обоснована необходимость системного анализа избирательных свойств различных ютов линейных и апертурных антенн и решеток.

Отмечается, что в последнее время широкое распространение получили вероятностно-статистические методы, оценки избирательности и ЭМС. Использование этих методов объясняется рядом причин. Во-первых, на стадии проектирования РЭС часто существует априорная неопределенность в исходных данных о непреднамеренных помехах (мешаищих сигналах), и детерминистические метода анализа ЭМС и избирательности (понимая под избирательностью способность приемника отделять сигнал от помех по каким-либо признакам) неприменимы. Во-вторых, электромагнитная обстановка (ЭМО) является динамичной, т.е. претерпевает существенные изменения с течением времени (что вызвано как изменением режимов работы источников непреднамеренных помех и их расположения, так и условий распространения радиоволн (РРВ) с течением времени), которые учесть детерминистическим способом невозможно, либо сделать ато весьма сложно. В-третьих, наличие большого числа непред-наморентос помех (до нескольких сотен или тысяч) делает практически невозможным расчет влияния каждой отдельной помехи на Функционирование РЭС. Анализ избирательных свойств антенн с точки зрения их роли в обеспечении ЭМО с использованием вероятностсю-статастчаских мето-тов и, в частности, методов статистической теории ЭМС, гажзодат к юнятт эффективной избирательности антенны, т.е. избирательности в

заданной ЭМО, характеризующей опасность (вероятность) проявления тех или иных форм невдеалыюсти ДН антенны в этой ЭМО. Это позволяет на основе единого подхода оценить роль антенн в обеспечении ЭМО для различных условий эксплуатации РЭС и сопоставить антенные методы Обеспечения ЭМО с сигнальными, аппаратурными, организационными и т.п. При атом в качестве сопоставимого параметра выступает снижение вероятного динамического диапазона мэшаищи сигналов < нвпреднамерен-ных помех) антенной. Использование дискретного метода моделирования радиотехнических устройств на ЭВМ совместно с системными методами анализа ЭМО позволяет осуществить экспресс-анализ ЭМО РЭС уже .на стадии та проектирования и не требует существенных материальных затрат. .

При определении роли антенн в обеспечении ЭМС РЭС используется целый ряд частных параметров. Все эти параметры обладают радом существенных недостатков, а именно: носят■ частный характер, что существенно ограничивает возможности применения каждого из них; с точки зрения ЭМО на имеют прозрачного системного смысла; в ряде случаев установление четной связи между отдельными параметрами вызывает серьезные затруднения; не ясна связь этих параметров с важнейшей характеристикой помеховой обстановки - динамическим диапазоном мешащих сигналов. Кроме того, использование параметров такого рода существенно осложняется их большим количеством. С другой стороны, в статистической теории ЭМО используется ряд обобщенных системных параметров избирательности и ЭМС РТУ, Использование небольшого количества -таких параметров, которые осуществляют статистическую свертку большого числа обычных ("несистемных") параметров, позволяет существенно уменьшить сложность анализа и испытаний на ЭМС и повысить их достоверность. Наиболее удобной величиной для системного анализа избирательных свойств антенн с позиций ЭМС является о-параметр,

а

который непосредственно связан со снижением динамического диапазона мешащих сигналов за счет избирательных свойств антенн и позволяет оценить роль антенны в защите входа приемника от мощных непреднамеренных помех.

Во втором разделе проведен системный анализ избирательных свойств линейных антенн и решеток, функционирующих в различных режимах и для разных условий эксплуатации на основе использования обобщенного системного ЭМС-параметра антенн - о-параметра, который определяется как отношение среднего числа мешаицих сигналов, по уровню превышающих порог чувствительности тракта, на выходе и входе антенны. При близком к равномерному пространственном размещении источников сигналов базовое соотношение для о-парзметра имеет ввд:

а - [ | | | тер,в, Т.ФУ г^'св,р,г,ф> <1 Ф аг <!,> ав <1>

С&9Э (1>р> (ОГ) СОфЭ

в е Ш, р е £>*>, Г е ОТ, ф е Оф,

где г, о - параметры направления прихода сазимут и угол местаз сигналов. г,ф - их частота и поляризация; юе.ор,ы,г>ф - интервалы их изменения; <нср,в,г,фу - распределение сигналов по этим параметрам в точке приема; пв,<>,т,ф) - нормированная ДН антенны по мощности; т -параметр пространственного расположения источников непреднамеренных помех - РЭО с ш«1 при расположении РЭС "в линию", т«г при территориальном размещении РЭС. т«з при их объемном расположению-, и - параметр условий распространения радиоволн сРГН».- и-г при свободном РРВ. при 1штерференционном РРВ в дальней зоне, »-а в декаметро-вом диапазоне.

Для территориального размещения РЭС Ст-зэ и свободного РРВ без учета поляризационной и частотной избирательности может быть получено аналитическое выражение для о-параметра линейной эквидистантной ФАР, реализованной на изотропных элементах в режиме рав-

ноамплитудаого возбуждения:

п J-l

1 1 г-, г—, г В1ла

о - — +

2п

>2 1-1

п

1 „ „ Г ¡21 яс1 1 Г21псГ>

где J0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, п - число

элементов, а - межзлементиое расстояние, х - длина волны, где -

угол сканирования (отсчитывавтся от нормали к оси антенны). В случае

отсутствия дифракционных лепестков <ДЛ) в ДН антенны при п>л, ь>ю и

ю0<во° ато выражение упрощается

х о.1е О й - * - , (3)

где I- - длина антенны, выраженная в длинах волн. Это соотношение показывает, что при сканировании о-параметр определяется длиной проекции антенны на нормаль к направлению главного лепестка: возрастание электрической длины антенны и уменьшение угла сканирования приводят к уменьшению «-параметра (уменьшению доли непреднамеренных помех, проникающих через антенну на вход приемника). Для случаев и »«в получаются аналогичные выражения

О. 35 О. 3

й Я: -„ И О » -л~"д ■ (4)

СЬ совСр05Э (Ь созСр^)"'

Как показывают эта выражения, при прочих равных условиях наименьшее значение «-параметра достигается в случае свободного РРВ, а наибольшее - при РРВ в дэкаметровом диапазоне. При этом основной вклад в о-параметр по уровню 15% погрешности дает главный лепесток (ГЛ) для свободного РРВ , ГЛ и около 5-ти боковых лепестков (БЛ) в случав интерференционного РРВ (»«*), ГЛ и БЛ в секторе углов около 60° для РРВ в декаметровом диапазоне < и »8). Эта закономерность может быть использована в целях проектирования и оптимизации антенных решеток.

Наличие ,ЦЯ в ДН антенны приводит к существенному возрастанию о-цэраметра и соответственно ухудашию ЭМС ФАР. Использование направленных излучателей (с косинусной по мощности ДН) приводит к частичной "компенсации" наличия в Д!1 антэнш дифракционных лепестков и существенно уменьшает зависимость о от ц>0 . В случае отсутствия ДЛ и без сканирования направленность излучателей практически не влияет на «-параметр.

Выражение для а-парамвтра линейной эквидистантной ФАР с неравноамшппудным возбуждением излучателей для случая свободного РРВ и и«2 принимает вид

° ■ ( &П* <1 ' (в)

1-1 1"2 1>1

где 1д (1 ■ ?Тп > - амплитуды возбуждения излучателей.

Выражение для ^-параметра ФАР со случайным расположением алементоб ("стохастической" ФАР) при ш«г и 1.»о. гз имеет вид

г

г-+ 1ПН]У • <5>

Отметим, что первое слагаемое в этом выражении описывает вклад ГЛ, а второе - ЕЛ. При фиксированном п функция <жьэ в (6) допускает минимизацию. Тот Факт, что стохастические ФАР используются при средних межэлемэнтных расстояниях порядка нескольких длин волн (именно в этом случае проявляется преимущество стохастической ФАР перед эквидистантной) накладывает существенные ограничения на возможность использования оптимуме®, поскольку оптимальное значение ь ( ьорЬ) дос-гигается при среднем межэлементном расстоянии приблизительно в 1/тз цлины волны, где преимущества стохастической ФАР перед эквидистант-юй исчезают. Однако, значение о в окрестности ьор4 изменяется

О. 1Й

о »

слабо, и поэтому возможно существенное увеличение ь при фиксированием « без сильного проигрыша в о. В практически важных случаях первым слагаемым в (5) можно пренебречь, тогда получим: а

О * 1и[вь}| шм ОЕдБ] * - {хаСго - 1в . <7)

Сравнение соотношений (6) и (7) позволяет сделать вывод, что в практически важных случаях основной вклад в о-параметр дают боковые лепестки ФАР рассматриваемого тала. Увеличение, числа элементов приводит к снижению уровня БЛ (УЕЛ) и соответственно уменьшению а-шраметра: зависимость этого параметра от электрической длины ФАР существенно слабее.

Выражение для о-параметра эквидистантной кольцевой ФАР, реализованной с использованием изотропньк элементов, которые расположены равномерно по окружности, при и т»г, может быть представлено в виде

I % п 1-1

О ■ — + - ^¡Г ^Гсоа^яК аХпСа! иг><»>0- ЬЭ^МяК $1пГаЭ1 , (8) 1ш2 1«!

где я - ь ■ пса+Иу'п, я - электрический радиус ФАР. В слу-

чав без сканирования <*>0 ■ о) могут бьггь получены приближенные выражения для о-параметра, которые справедливы в случае отсутствия ДЛ в ДН ФАР при к > ^ и и »''•а соответственно:

о.1 о.а о.4

й ^- , о *- и о *--. (9)

ко,в ко.в ко.г

0 случае отсутствия ДЛ в ДН и при одинаковых размерах антенны кольцевая ФАР имеет большей о-параметр чем линейная ФАР. Наличие сканирования не приводит к увеличению о-параметра кольцевой ФАР, если в ее № нет дифракционных лепестков.

Выражение для Q-параметра линейной Непрерывной антенны при v-г и ™-2 имеет вид

L _2 L z

Q - £ J" ICzJdzj Jlt^Dj ICz-z'JcosCfc slnfr0> г"JJ0Ckr'3dz'dz , (10) О 0 0

где iczi - амплитудное распределение по длине антенны, * - волновое число. Выражение (10) представляет собой предельный случай выражения (5) при п-.», d , о и nJ ■ ь, Заметам, что ДН линейной эквидистантной ФАР при d i х/-г почти полностью совпадает с ДН непрерывной антенны. Соответственно, при l » i для расчета Q-параметра вместо выражения (10) можно использовать приближенное выражение (3).

В случае равномерного распределения мешающих сигналов по частоте в диапазоне 1 fmtn'f выражение для а-параметра может быть представлено в виде

f

^ тлх

Q - - Г QCOdf , (11)

f - г .

тах min f

min

где О - й-параметр при равномерном распределении сигналов по частоте, QCfJ - а-гораметр для одаочастотаого ансамбля сигналов. Анализ этого выражения применительно к ФАР без ДЛ на среднегеометрической частоте г0 - ifmax и сравнение со случаем одаочастотаого

ансамбля входньк сигналов показывает, что изменение межэлементного расртояшя сильнее влияет на Q-параметр в последнем случае, когда ни на одной частоте в ДН ФАР нэ существует дифракционных лепестков, либо в случае непрерывной антенны, для свободного РРВ выражение (11) приводится к виду

2er In (У

й - —g- «f ) . (12)

er - 1

Анализ этого соотношэШ1я показывает, что при с < и 5 меньке Oiij> т более чем на 4 дВ.

В третьем раздала проведен системный анализ избирательных свойств апертурных антенн и решеток, Функционирующих в различных режимах и для разных условий эксплуатации на основе использования обобщенного системного ЭМС-параметра антенн - о-параметра.

Для случае территориального расположения РЭС (т»г) в горизонтальной плоскости (хоуэ, выражение для о-параметра без учета поляризационной и частотной избирательности принимает ввд

д п/г г

О - — Г |ГСп/-г,»0 . (13)

-1Т/2

Для плоской эквидистантной ФАР в режиме равноамшштудного возбуждения, расположенной в вертикальной шюскооти и реализованной на изотропных элементах, расположенных в узлах прямоугольной сетки, при получаем выражение, аналогичное (2), где вместо п надо подставить число элементов в горизонтальном ряду ФАР <"х), вместо а - межэле-ментнов расстояние в атом же рад (ах), а вместо <>0 - угол сканирования в горизонтальной плоскости. Соответственно, при выполнении ранее оговоренных ограничений сохраняют силу и выражения (3) и (4) а также выводы, касающиеся влияния направленности излучателей и дифракционных лепестков (в данном случае в горизонтальной плоскости) на о-параметр. В случае, когда в горизонтальном раду излучатели имеют неравноамшштудное возбуждение можно использовать выражение (5) с учетом вышеоговоренных замен. Наклон ФАР в вертикальной плоскости приводит к существенному изменению й-параметра. При зтом зависимость ос<х>, где а - угол наклона, отсчитываемый от оси ог, напоминает ДН ФАР в вертикальной плоскости, а первые 3 точки минимума этой зависимости связаны о шириной ГЛ ДН и могут быть найдены из соотношения

«Ып * 1 ' 1 - Ьв.з , (14)

где - электрический размер ФАР в вертикальной плоскоста. Сканирование в вертикальной плоскости оказывает существенное влияние на о-параметр, причем оно отлично от влияния, оказываемого сканированием в горизонтальной плоскости. В случае расположения ФАР в вертикальной плоскости получим:

| гы п \ / ш

а » о* /п2з1п!—51псэ0з I . (15)

где - угол сканирования в вертикальной плоскоста, отсчитываемый от нормали к ФАР; а' - выражение для О-параметра в случае без сканирования (е0« о); пг и - число элементов и межэлементное расстояние в вертикальном ряду ФАР. Выражение (15) показывает, что минимумы зависимости будут равны нулю в отличие от случая, когда а не равно нулю и минимумы этой зависимости также отличны от нуля. Из этого следует важный для практики вывод. Когда непреднамеренные помехи создаются источниками, расположенными в горизонтальной плоскости, значительно большее их подавление может быть достигнуто при отклонении главного лепестка на угол, соответствуиций положению нуля ДН в горизонтальной плоскости, путем сканирования (&0 не равно нулю, «•о), чем в случае поворота ФАР (<* не равно нулю, £>0»о). Отметим, что появление ДЛ в ДН ФАР в вертикальной плоскости при определенных значениях а и <э0 (когда ДЯ расположен в горизонтальной плоскости) приводит к резкому возрастанию о.

Аналогичные вывода и выражения справедливы для плоского прямоугольного раскрыва с учетом предельного перехода п <я , •+ о и отсутствия дифракционных лепестков. Зависимости а-шраметра плоского круглого раскрыва от его размеров и положения напоминают соответствуют® зависимости для прямоугольного раскрыва. Случай равномерного распределения мешаидах сигналов но частоте рассматривается на основе

тех же методов, что и для линейных антенн.

В четвертом разделе проведен приближенный расчет (¿-параметра антенн на основе использования двух и трехуровневой аппроксимаций ДН антенны; установлена связь й-параметра с шириной ГЛ и ' уровнем боковых и заднего лепестков ДН антенны; сформулированы условия согласованности антенны по ширине ГЛ и уровню ЕЛ ее ДН.

Отмечается, что расчет о-параметра может представлять значительную математическую сложность ввиду сложности выражений, которыми он определяется. В этой связи представляет интерес разработка приближенных методов расчета о-параметра для различных типов антенн и определение его связи с "классическими" параметрами антенн <КНД, ширина основного лепестка, аффективный уровень боковых лепестков и т.п.).

Исходное соотношение для и-параметра без учета поляризационной и частотной избирательности антенны может быть переписано в виде:

а » О" £1+<5:>г (16)

J / р1и/1'с в, *Св,<р-)<1рёв а* $ , <5 к —2- , <17)

п Г Г

го •» у >

где па - полная область значений углов е и р; от - область их значений, соответствущая ГЛ ДН антенны и - область их значений, соответствующая ВЛ и ЗЛ; О" - снпарамэтр антенны по главному лепестку еэ ДН ; г - коэффициент "невдеальноста". <г характеризует долю помех, проникащих на выход антенны через ее ГЛ и равен о-параметру гипотетической (идеальной) антенны с единственным ГЛ при полном отсутствии ВЛ й ЗЛ. Коэффициент неидеальшсти б характеризует относительную долю помех, проникающих на выход антенны через ВЛ и ЗЛ (по

отношению к помехам, проникающим черед ГЛ). Для идеальной антенны (у которой уровень боковых и заднего лепестков равен нулю) о-о- и ¿»о .

Для двухуровневой аппроксимации ДН антенны при равномерном территориальном расположении источников непреднамеренных помех выражение для (i-параметра остронаправленньк антенн <д>> « 2л) приводится к

ВВДУ Q . ££ + 1г'и (Ш)

гп

где ар - иирина главного лепестка ДН антенны в горизонтальной плоскости; t - уровень БЛ по мощности. При атом первое слагаемое в (18) описывает вклад ГЛ, а второе - вклад БЛ. Соотношение (18) показывает, что для различных условий FPB вклад боковых лепестков в a-параметр различен. Рассматривая вклад в ü-параметр ГЛ и ВЛ по отдельности, находим, что при выполнении неравенства

Ар » гг,1гУи (19)

Q-параметр зависит главным образом от ширины ГЛ и на зависит от УБЛ: q ~ о.íes д*> или Q ~ д«5°^збо° . В атом случае уменьшение Q-параметра достигается сужением ГЛ; снижение УБЛ является нецелесообразным. Условие (19) может быть названо условием "идеальности", поскольку при его выполнении о-параметр совпадает с соответствущим параметром по ГЛ ДН антенны а % <г (& - о) и не зависит от УБЛ t . При фиксированном ¿P для интерференционного РРВ (и ■ 4) и в декаметровом диапазоне {» » в) условие "идеальности" более жесткое по сравнению со случаем свободного PPS (" - а). Таким образом, при v - * и у - а к антенне предъявляются более жесткие требования по УБЛ по сравнению со случаем v - г о точки прения й-параметра. В случав, когда ¿р « ?.тг12''ио-нар8кетр зависит главным образом от УБЛ и не зависит от ширины ГЛ ; о * \.гуи .

Наконец, возможен 3-й случай, когда вклад ГЛ и БЛ в Q-параметр сопоставим:

Ар^гп * (20)

В этом случаэ снижение Ж1 яри фиксированной ширине ГЛ может дать максимальный выигрыш лишь в 3 дБ (то же можно сказать и о сужении ГЛ при фиксированном УЕЛ) и, таким образом, является малоэффективной мерой (учитывая, что дая остронаправленных антенн обычное значение а-параметра составляет десятки дБ). Таким образом, мы можем утверждать, что условие (20) является условием согласованности антенны по ширине ГЛ и УВЛ. При его выполнении реализуются оптимальные значения ширины ГЛ Ар и 5/ВЛ ь в том смысле, что уменьшение каждого из них по отдельности не приводит к существенному снижению й-параметра.

Используя трехуровневую аппроксимацию ДН, получаем аналогичное выражение для о-параметра оотронаправленной антенны (др + др « 2я):

о » Лр/йп 4 1гуи + (21)

О о

где Ар , л»>3 - ширина ГЛи ЗЛ соответственно; ^ . *-3 - ^КЛ и уровень ЗЛ (УЗЛ) соответственно. Аналогично ранее рассмотренному случаю двухуровневой аппроксимации ДН антенны, можно рассмотреть по отдельности, вклад ГЛ, ЕЛ и ЗЛ в й-параметр и сформулировать условия согласованности антенны.

В пятом раздел^ проведен анализ роли различных типов линейных и апертурных антенн и решеток в снижении динамического диапазона мешающих сигналов (дг>) на входе приемника; показано влияние сканирования и дифракционных лепестков на до; разработаны приближенные методы расчета дв на основе двух и трехуровневой аппроксимаций ДН антенн, существенно упрощавдие процедуру расчета этого параметра; указана роль частотной избирательности антенн в снижении динамического диапазона мешающих сигналов; разработан метод расчета до для адаптивных антенн. Использован подход, при котором определяемые с заданной доверительной вероятностью значения динамического диапазона машаицих сипизлов на входе (»вх) и выходе (овых) приемкой антенны связаны с

ее а-параметром следущим соотношением:

до - с / о ■ о. (22)

вх вых

Это соотношение показывает, что исследование ли для различил типов антенн может быть проведено на основе результатов, полученных для о. Так, используя соотношения <3) и (4) с учетом ограничений, принятых при их выводе, для линейной■ эквидистантной ФАР при »»г, и»* и 1>«а соответственно получим: ДО Я: в.ЗЬсоБС^Э, ¿О Я! 1в(Ьсо1С»>05Э1-в, Ы) X 1гОСЬсо1Сг>0)эг . (23)

При прочих равных условиях максимальное значение ¿о достигается при , а минимальное - при ^»г , что объясняется различными статистическими характеристиками ансамбля мешаюцих сигналов в указанных случаях. Наличие ДЛ в ДН ФАР приводит к уменьшению до и для расчета этой величины использовать соотношения (2) и (22). Использование излучателей с "косинусной" ДН по мощности позволяет частично устранить зависимость до от угла сканирования и наличия ДЛ. Для стохастической ФАР, используя соотношение (7), получим:

ДО «в й ✓ 1пСвЬЗ . (24)

Замечательным является тот факт, что.в данном случае, как показывает соотношение (24), снижение динамического диапазона сигналов стохастической ФАР не зависит от условий РРВ в противоположность случаю использования эквидистантных ФАР, когда такая зависимость наблюдается. Выражение (24) показьвает, что до значительно сильнее зависит от п чем от ь.

Используя соотношения (9), для кольцевой эквидистантной ФАР при и-2 , и у«в соответственно получим:

до » 10 *°-а , ди » 23 к , да г 40 к0*® . (25)

Следует отметить одно существенное отличие между линейной и кольцевой ФАР, в ДН которых нет ДЛ: если в первом случае сканирование при-

водит к уменьшения выигрыаа в динамическом диапазоне (см. соотношения (23)), то во втором случае этого не происходит, и в случае сканирования для расчета ¿о применимы соотношения (25).

• Используя соотношение (12), получим выражение для снижения динамического диапазона сигналов с учетом частотной избирательности

При и-2 : 2

¿Б « ■ до<гп1 , (26)

Всг 1пСо)

где досг01 - влачекиэ ¿о на среднегеометрической частоте *0, дБ -значение ли с учетом частотной избирательности.

Используя соотношение (18), выразим до через ширину ГЛ и УБЛ:

Как и ранее, можно по отдельности рассмотреть вклад ГЛ и БЛ в до.

выражение показывает, что с точки зрения ad наиболее жесткие требования к ширине ГЛ предъявляется в случае свободного РРВ, а наименее жесткие - в случае PFB б докаметровом диапазоне. При выполнении условия м> « ггг1е"л получаем: до а ixt .в данном случае üd не зависит от условий РЕВ. При выполнении условия согласовшмости (20) выражение для ло принимает вид: до ь сп/ь^у"'2 .

В шестом разделе разработаны технические 'Предложения по измерению характеристик избирательности антенн повышенной производительности, обеспечивающие возможность экспериментального оценивания о-параметра. Отмечается, что использование сложных сигналов (например, о линейной частотной модуляцией (ЛЧМ)) позволяет повысить точность измерений путем подавления мелющих отражений от шдсталавдей поверхности и элементов конструкции испытательного стекд*. Одновременное использование автоподстройки частоти позволяет существенно повысить производительность измерении?*. Струпу- и w схема

(2?)

При выполнении УСЛОВИЯ Д»> » Ent1

получаем: до « сгп^дрэ1"^. Это

Структурная схема устройства измерения ДН антенны с использованием ЛЧМ-сигнала

ПО - генератор тактового сигнала: БНУ - блок начальной установки; ИАм - измеритель амплитуда: ИСА - исследуемая антенна: УА - управлявши аттенюатор; О - сумматор:

ФНЧ - фильтр низких частот;

Риа.1.

устройства измерения характеристик избирательности антенны о использованием ЛЧМ-сигнала приведена на рис. 1. ГГС вьрабатъшавт прямоугольные импульсы, которые меняют свою амплитуду, проходя через УА . Йн интегрирует ата импульсы, и они. превращаясь в пилообразное нап-

ЧД - частотный детектор: Ин - интегратор: СВЧГ - генератор СВЧ сигнала; НО - направленный ответвитель: ВА - вспомогательная антенна; РПУ - супвргатеродинный радиоприемник;

ряжение, поступают на вход управляемого СВЧГ, на выхода которого формируется JHM-сигнал, который через НО поступает на ИСА и гетеродинный вход РПУ. ИСА излучает сигнал в пространство; далее он принимается ВА, расположенной в дальней зоне. Впоследствии этот сигнал поступает на сигнальный вход супергетероданного РПУ, на выходе которого формируется сигнал на частоте биений. ЧД и ФНЧ совместно с С, УА и БИУ образуют систему автоподстройки частоты, которая поддерживает постоянной частоту биений при изменении расстояния между Фазовыми центрами ИСА и ВА в процессе измерений. БНУ обеспечивает начальный захват систем ЧАЛ. Сигналы, образованные за счет паразитных отражений испытательного сигнала не попадают в полосу пропускания РПУ и соответственно не оказывают мешамдего воздействия на процесс измерений. Использование ЧАЛ позволяет исключить ручную подстройку частоты биений в процессе измерений, что существенно повышает их производительность.

Для обеспечения возможности измерения Q-параметра в это устройство необходимо добавить ряд функциональных узлов, осуществляя®« его вычисление в соответствии с выражением (1). При этом операция интегрирования заменяется операцией суммирования и все вычисления проводятся в цифровой форме. Вышеупомянутые функциональные узлы могут быть реализованы как аппаратно, так и программно (например, с использованием встроенной однокристальной микро-ЭВМ>. Программная реализация не тре^урт существенной модернизации устройства измерения - необходима лишь доработка программного обеспечения.

В приложениях к диссертационной работе приведены методика расчета Q-параметра ФАР и методика определения числа интервалов разбиения подантегралшой функции при вычислении Q-параметра на ЭВМ путем интегрирования, а также акта внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ!) РАБОТЫ

В заключении к диссертационной работе кратко сформулированы результаты, отражающие личный вклад автора в разработку избранной научной проблемы.

В результате выполнения работы проведен системный анализ избирательных свойств линейных и апертурных антенн и решеток различных типов в РПГ РЭС, предложены приближенные Формулы для расчета системного параметра ЭИ антенн (Q-параметра), установлен вклад антенн в снижение динамического диапазона мешаюцих сигналов на входе приемника за счет их избирательных свойств, предложены устройства измерения характеристик антенн повышенной производительности и точности, обес-печиващие возможность экспериментальной оценки о-'па;раметра.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Проведен системный анализ избирательных свойств линейных и апертурньк антенн и решеток для различных условий эксплуатации и Функционирующих в различных режимах. Предложены точные и приближенные аналитические выражения для расчета о-параметра, указаны погрешности приближенных выражений. Разработан пакет программ на языке Си и в среде mathcad для численного анализа на ПЭВМ типа ibm рс.

2. Предложены приближенные формулы для расчета Q-параметра антенн различных типов для разных условий эксплуатации на основе анализа двух и трехуровневой аппроксимаций ДН антенн. Указан вклад, который дают в й-параметр антенны различные ее области (область главного лепестка, область боковых лепестков, область заднего лепестка) и на этой основе сформулированы условия согласованности антенны по ширине главного лепестка м уровню боковых и задних лепестков.

3. Проведен анализ влияния избирательных свойств антенн на снижение динамического диапазона мешаюцих сигналов (непреднамеренных

помех) на входе радиоприемника. Приведены аналитические выражения для расчета этой величины для антенн различных типов и разных условий эксплуатации, указаны границу их применимости.

4. Разработаны структурные схемы устройств измерения характеристик избирательности антенн, обладающие повышенной производительностью, а также обеспечивапцие возможность экспериментального определения О-параметра.

Основные положения диссертационной работы отражены в оледущих публикациях:

1. Мордачев В.И., Дойка О.Л. Эффективная избирательность линейной ФАР Тозисы докладов второй научно-технической конференции " Электромагнитная совместимость технических средств".

.-Санкт-Петербург.; ЛОП 1ГГ0С -им. к Н Крылова. ЛВВИСКУ им. А. Н Комаровского. - 1992.

2. Мордачев В.И., Лойка С.Л. Системная характеристика избирательности антенн./V Сборник научных докладов международного симпозиума по электромагнитной совместимости ЭМС-93. Часть 1.- Санкт -Петербург: 1993.- 0. 301-304.

3. Лойка С.Л., Мордачев В.И. Измерение характеристик аффективной избирательности антенн /V Труды мекд. конф. "Методы и средства проектирования и сертификации изделий радиоэлектроники, вычислительной техники и связи по критериям помехозащищенности, восприимчивости и электромагнитной совместимости".- Минск, 19S3.- С. 94-50.

4. Лойка С.Л. Оценка системной избирательности ФАР ^ Тезисы докладов научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященная 30-летив деятельности коллектива БГУИР, Часть 1.- Минск, 1994.- С. 2728.

. 5. Разработка теории, методов и средств анализа и синтеза

помэхозащщешюста и электромагнитной совместимости радпоэльктротмх средств в рассредоточенных пространственных группировках и ин1юрма-ционных сетях /v Отчет по НИР ГВЦ 98-3001 * Гос. рог. 13941366.-Минск, 1993.

6. Разработка и исследование • методов и средств управления радиочастотным ресурсом республики Беларусь /V Отчёт по НИР ГВЦ 933002 » Гос. per. 19941387.-Минск, 1993.

7. Иванов О.М., Лойка С.Л., Мордачев В.И., Шепурев С.О. Функциональное модашфование радиоприемных устройств при решении задач экспресс-анализа ЭМС РЭС Труды меад. конф. "Методы и средства проектирования и сертификации изделий радиоэлектроники, вычислиталь-ной техники и связи по критериям помехозащищенности, восприимчивости и электромагнитной совместимости".- Минск, 1993.- С. 25-32.

8. Лойка О.Л., Иепурев С.Ю. Дискретное функциональное моделирование радиоприемного тракта " Тезисы докладов научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященная 30-летим деятельности коллектива БГУИР, Часть 1.- Минск, 1994,- С. 25-2S.

9. Чердынцев В.Д., Мордачев В.И., Лойка О.Л., Иванов О.М. Сравнительные характеристики стохастических моделей радиосигнала в задачах синтеза амплитудных подавителей помех // Сборник научных докладов международного симпозиума по электромагнитной совместимости ЭМО-93. Часть 1.- Санкт - Петербург: 1993.- С. 100-104.

10. Лойка С. Л.. Мордачев В. И. Эффективная пространственная избирательность эквидистантных ФАР в рассредоточенных группировках РЭС^'Мзвеотия ВУЗов. Радиоэлектроника, т.37, w 7, 1994, с.9-14.

11. Лойка С. Л. ■ Мордачев В. И. Инженерные метода расчета параметра эффективной избирательности антенн /-""Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, т.37, и 9, 1994, с.36-42.

РЕЗШЕ

Работа прысвечана рашэнню актуальная праблемы састэмнага анал!ву рол! антэн у вабеспечанн! электрамагн1тнай сумяшчальнасц! радыеэлектроннш сродкау (ЭМС РЭС). На аснове паняцця эффектыунай выб1ральнасц1 антэн, мерай якой з'яуляевда Ц-параметр, праведзек с1стэмны анал!э выб!ральных уласц1васцей л!нейных 1 апертурных антэн 1 кратау для ровных умоу этсплуатацьи. Прапанованы анал1тычныя выра-эы для разл!ку Ц-параметра, вызначаны х^бнасцх лрыбл1жанных выраэау. Распрацавани пакет праграч на мове С1 1 у асяроддз1 МАТНСМ) для л!кавага раал1ку на ЛЭВМ тына 1ВМ РС. Прапанавали на£>л1жанныя ацэнк! Ц-параметра антэн на аснове анализу двух 1 трохуэроуненай апракс!ма-цый ДС антэны. Вызначаны уклад, ята даюць у (2-параметр антэны роаныя зоны яе ДС (.зона галоунага пялестка, зона бакавых пялесткау, зона вадняга пялестка) 1 на гэтай аснове сфармуляваны умовы пагоджанасц! антэны па шырын1 галоунага пялестка 1 узроуню бакавых 1 вадтх пялесткау. Праредаен аналхв уплыву эфектыунай выб1ральнасц1 антэн на пан1жэнне дынам1чнага дыялазону перашкаджаючых сигналау (ненаумысных перашкод) на уваходае радыепрыемн!ка. Прыведзены анал1тычныя вырази для раэл1ку гэтай вел1чыны для антэн усял!к1х тыпау 1 розных умоу зксплуатацы!, еаэначаны мяяи 1х прымян1масЦ1. Распрадавакы структурный схемы устройствау вьмярэння характарыстык выб1ральнасц1 антэн, валодаючыя павышанай прадукцыйнасцю 1 ваОеспечываючыя магчымасць эксперыметнадькага вызначзння Ц-параметра.

Работа посвящена решению актуальной проблемы системного анализа роли антенн в обеспечении электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС). На основе понятия эффективной

.26

избирательности антенны, мерой которой является Q-параметр, проведен системный анализ избирательных свойств линейных и апертурных антенн и решеток для различных условий эксплуатации. Предложены аналитические выражения для расчета Q-параметра, указаны погрешности приближенных выражений. Разработан пакет программ на языке Си и в среде MATHCAD для численного расчета на ПЭВМ типа IBM PC. Предложены приближенные оценки Q-параметра антенн на основе анализа двух и трехуровневой аппроксимаций ДН антенн. Указан вклад, который дают в Q-параметр антенны различные области ее ДН (область главного лепестка, область боковых лепестков, область заднего лепестка) и на этой основе сформулированы условия согласованности антенны по ширине главного лепестка и уровню боковых и задних лепестков. Проведен анализ влияния эффективной избирательности антенн на снижение динамического диапазона мешающих сигналов (непреднамеренных помех) на входе радиоприемника. Приведены аналитические выражения для расчета этой величины для антенн различных типов и разных условий Э1«зплуатации, указаны границы их применимости. Разработаны структурные схемы устройств измерения характеристик избирательности антенн, обладающие повышенной производительностью и обеспечивающие возможность экспериментального определения Q-параметра.

This thesis deals with solving of urgent problem of system analysis of antenna role in maintenance of electromagnetic compatibility (EMC) of radioelectronic devices (RD). The system analysis of linear and aperture antennas and arrays selectivity characteristic for different using conditions has been made in terms of effective selectivity concept. Q-parameter is used as the antenna effective selectivity measure. Analytical expressions and approximate expression errors for this parameter are given. Programs

27

for numerical calculations by means of IBM PC have been designed in MATHCAD and C. Approximate formulae for Q-parameter calculation are suggested. This formulae have been obtained in terms of two and three level approximations of antenna pattern. The antenna pattern different domains (main lobe, side and back lobes) contribution to Q-parameter is shown. Antenna matching conditions by main lob; width and side and back lobe levels have been formulated cn this basis. Analysis of antenna effective selectivity Influence on decrease of dynamical range of inadvertent interference at the radioreceiver input has been carried out. Analytical expressions for calculation of this value tire given for different antenna types and using conditions. The suitability bounds of these expressions are indicated. The structure circuits of measurement devices of antenna selectivity characteristics have been designed. These devices have higher capacity and furnish opportunity of Q-parameter measurement.