Содержание
Введение. Обзор литературы
1. Решение электродинамической задачи анализа для зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью при монохроматическом излучении
1.1. Геометрия задачи
1.2. Метод улучшения характеристик антенных систем и коллиматоров при использовании в краевой части зеркала корректирующего переменного поверхностного импеданса
1.3. Особенности поля вблизи ребра неоднородной полупрозрачной импедансной полуплоскости и на стыке такой полуплоскости с идеально проводящей полуплоскостью
1.4. Оценка влияния протяженности неоднородной краевой части на структуру электромагнитного поля
1.5. Анализ угловых распределений поля вблизи ребра неоднородной импедансной полуплоскости
1.6. Постановка задачи анализа для зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью и ее решение
1.7. Моделирование полей в ближней зоне стенной сисгемы и в рабочей зоне коллиматора с учетом неоднородной краевой части зеркала
1.8. Моделирование поля в дальней зоне антенной системы с неоднородной краевой частью и его анализ
2. Характеристики поля зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью в ближней зоне при работе с сигналами наносекунд-ной длительности
2.1. Решение задачи нахождения распределения поля в ближней зоне методами спектрального анализа
2.2. Моделирование диаграмм формы наносекундных импульсов и исследование их искажения в зависимости от параметров краевой части зеркала
2.3. Расчет энергетических характеристик антенной системы и оценка неравномерности распределения энергии для импульсов различной формы
2.4. Исследование протяженности рабочей зоны зеркального коллиматора с неоднородной краевой частью
3. Характеристики поля в дальней зоне зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью при работе с сигналами наносекупд-ной длительности
3.1. Решение задачи нахождения поля и мгновенных диаграмм направленности в дальней зоне антенной системы
3.2. Расчет диаграмм формы СКИ в дальней зоне в зависимости от парамечров корректирующей части зеркала в разных угловых направлениях
3.3. Влияние величины раскрыва зеркала антенной системы на характеристики поля в дальней зоне
3.4. Энергетические характеристики поля антенной системы
3.5. Предельные размеры дальней зоны антенной системы
4. Спектральный анализ поля зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью
4.1. Спектральный анализ непериодических сигналов
4.2. Анализ спектральных характеристик поля в ближней зоне антенной системы
4.3. Анализ спектральных характеристик поля в дальней зоне антенной системы
5. Характеристики излучения зеркальной антенной системы с неоднородной краевой частью с учетом параметров сигнала и среды распространения
5.1. Отражение СКИ от плазмы и дробно-линейной среды
5.2. Энергетические ДН и диаграммы формы излученных импульсов при отражении от плазмы и дробно-линейной среды
Заключение
Литература
4
Введение. Обзор литературы
Становление принципиально новой технологии, особенно в области непосредственной приемо-передачи высокочастотного сигнала, происходит не часто. В последнее время появились коммерческие сверхширокопо-лосные системы UWB (UltraWide Band) [1-6]. Достоинства широкополосной связи - высокая помехозащищенность и адаптивность к реальной эфирной обстановке, низкий уровень сигнала, экономичное использование частотного ресурса, сложность перехвата и постановки прицельных помех. Технология UWB добавила к указанным выдающуюся особенность: изделия на ее основе технически проще большинства аналогичных систем.
Суть технологии - передача маломощных кодированных импульсов в очень широкой полосе без несущей частоты. В эфир излучается не гармоническое колебание, а сверхкороткий импульс, или моноимпульс, длительность которого может колебаться в пределах 0,2—2 не, а период импульсной последовательности составляет от 10 до 1000 не.
В “импульсном радио” информация кодируется посредством временной позиционно-импульсной модуляции. Смещение импульса относительно его “штатного” положения в последовательности вперед задает “0”, назад - “1”. Время смещения не превышает четверти длительности импульса. Так, в последовательности 0,5-нс импульсов с межимпульсным интервалом 100 не импульс, пришедший на 100 пс раньше, - это “0”, на 100 пс позже - “1”. Один информационный бит кодируется последовательностью многих импульсов, например 200 импульсов на бит.
Однако возникает проблема разделения каналов передачи. Для этого "штатное" положение каждого импульса сдвигают на время, пропорциональное текущему значению некоторой псевдослучайной последовательности (разделение посредством временных скачков, Time Hopping). При
5
этом время сдвига на один—два порядка выше, чем смещение при временной модуляции. В результате спектр сигнала существенно сглаживается, становится шумоподобным и уже не мешает другим устройствам, работающим в той же полосе.
В отличие от технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), системы импульсного радио используют ортогональные псевдослучайные последовательности не для расширения спектра сигнала (спектр короткого импульса и так достаточно широк), а только для сглаживания его спектральной характеристики, формирования отдельных каналов связи и защиты от помех. С другой стороны, импульсное радио можно рассматривать как предельный случай CDMA, в котором полностью отказались от несущей или, что физически почти то же самое, длительность выходного импульса сделали равной одному периоду несущей.
Одно из существенных достоинс тв импульсного радио - отсутствие интерференции прямо распространяющегося сигнала с его отражениями от различных объектов. Кроме того, благодаря широкополосности затухание короткоимпульсного сигнала в различных средах достаточно мало - короткие импульсы легко проходят сквозь различные препятствия, поскольку подавление сигнала происходит не во всем диапазоне.
Возможности СШП систем связи:
- высокая скорость передачи данных (от десятков до сотен Мбит/с);
- повышение защиты от всех видов пассивных помех;
- повышение защиты от внешнего электромагнитного излучения;
- повышение защиты от многолучевого распространения;
- повышение электромагнитной совместимости;
- увеличение скрытности работы;
- повышение степени защиты информации;
- экологическая безопасность системы.
6
Впервые в истории радиотехники разрешена одновременная работа в одной частотной полосе СШП и узкополосных систем (Решение Федеральной Комиссии Связи (FCC) США "First Report Sc Order" от 14 февраля 2002).
Теоретическими разработками в этой области занимается большой круг зарубежных и отечественных специалистов, среди них Х.Ф. Хармут, Дж. Пауэлл, М. Чен, Р. Флеминг, Дж. Д. Тейлор, JLIO. Астанин, A.A. Кос-тылев, И .Я. Иммореев, Д.И. Воскресенский, В.Б. Авдеев, А. Л Гутман, С. А. Подосенов, A.A. Потапов. В СШП системах нет необходимости в использовании мощных усилителей, их приемники не имеют гетеродинов и прецизионных элементов частотной фильтрации, а узлы модуляции и демодуляции сигналов достаточно просты и реализуются средствами обычной цифровой логики без сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Помимо простой передачи информации, интересно применение технологии UWB в области радиолокации [6-14]. Сигналы этой технологии получили название сверхширокополосных (СШП), а локация с использованием этих сигналов, соответственно - СШП локации. Основное се отличие - использование очень короткого импульса (длительностью порядка наносекунды) для зондирования. В настоящее время экспериментально получены сверхмощные микроволновые импульсы наносекундной длительности двух видов - видеоимпульс, не имеющий четко выраженной несущей частоты, и радиоимпульс с несущей частотой, на один - два порядка превышающей ширину спектра импульса.
В СШП локации повышение информативности происходит благодаря уменьшению импульсного объема локатора по дальности. Так, при изменении длительности зондирующего импульса с 1 мке до 1 не глубина импульсного объема уменьшается с 300 м до 30 см. Можно сказать, что инструмент, который исследует пространство, становится значительно бо-
7
лее тонким и чувствительным.
Генераторы сверхмощных электромагнитных импульсов СВЧ-диапазона могут строиться не только по цепочке преобразования энергии: импульсный генератор - Т-волна - вакуумный диод - пучок - излучение. Так, например, волна напряжения высоковольтного генератора может быть эффективно преобразована в электромагнитную волну при прямом излучении специальной антенной. Характеристики такого импульса существенно отличаются от СВЧ-излучения электронного генератора отсутствием высокочастотного заполнения и относительно большой шириной спектра, которая примерно равна частоте колебания или обратна длительности импульса. Фактически выходной видеоимпульс мощного наносекундного генератора представляет собой одно-два колебания.
Разработки наносекундных высоковольтных генераторов явились развитием традиционной техники формирования, основанной на вырезании короткого импульса из более длинного с помощью обостряющего и срезающего газового разрядника. При этом особое внимание уделялось созданию систем с перестраиваемыми параметрами: амплитудой, длительностью, формой импульса, а также допускающих работу в частотном режиме (с определенной частотой повторения импульсов).
С помощью таких устройств были получены импульсы длительностью 1 - 5 наносекунд (до 0.5 наносекунд) и выходной мощностью до 300 -400 МВт (с перспективой увеличения до 1 I Вт) с частотой повторения до 100 Гц. При этом стабильность амплитуды импульсов была не хуже 2-3 процентов, а стабильность длительности - не менее 10 процентов. Следует отметить, что проблема стабильности амплитуды и длительности имеет первостепенное значение для моиоимпульсной локации, так как в этом случае выделение подвижной цели с малым значением эффективной отражающей площади на фоне большой стационарной помехи осуществляется
8
вычитанием последовательных импульсов отраженного излучения, поэтому изменение амплитуды и формы импульса может в принципе симулировать движение на самом деле неподвижной помехи.
Приведем аргументы, обосновывающие преимущества использования сверхкоротких мощных микроволновых импульсов в моттоимпульсной локации. Использование наносекундных импульсов обеспечит хорошее разрешение по дальности (порядка 1 м), что даст возможность обнаруживать и сопровождать движущиеся цели с малой эффективной площадью рассеяния на фоне больших стационарных помех. Измерение скорости цели в традиционных радиолокационных станциях осуществляется по допле-ровской модуляции частоты отраженного импульса. При этом если скорость достаточно велика, то ее определение осуществляется по одному иодирующему импульсу. В этом случае есть некоторая минимальная скорость, которая может быть измерена данным способом. Для небольших скоростей применяется также доплеровская оценка по нескольким импульсам пачки. Однако в этом случае есть так называемые "слепые" скорости, когда фаза отраженного импульса меняется на целое число 2п от импульса к импульсу, и цель кажется неподвижной. При определенных условиях таких слепых скоростей может быть достаточно много. При моноимпульс-ной локации мощными наносекундными импульсами эти проблемы полностью снимаются, так как благодаря высокому разрешению по дальности определение скорости цели происходит по наблюдению ее перемещения по координатам. При указанном соотношении длительности наиосекунд-ного импульса и длительности интервала между импульсами (около 0,01 с) проблемы мертвого времени, когда блокирован приемник радиолокационной станции, и невозможно получение информации о целях, практически не существует. Так как при моноимиульсной локации определение всех параметров цели происходит по одному импульсу, то при частоте повторе-
9
ния импульсов в 100 Гц нс возникает неоднозначности по дальности. Действительно, за время 0,01 с все эхо-импульсы успевают достигнуть приемной антенны, если максимальная дальность обнаружения не превышает 1500 км, что представляется более чем достаточным для современных радиолокационных установок. Высокое разрешение по дальности позволяет проводить идентификацию целей по отраженному импульсу. Действительно, все детали объекта с размерами порядка 1 м2 (плоскости, винты и т. п.) будут работать как независимые отражатели, создавая "пространственный портрет" цели, что даст возможность классифицировать цели в режиме реального времени по созданным заранее образцам эхо-откликов. Высокое разрешение по дальности может дать информацию о высоте низколетящего над относительно гладкой местностью объекта по временному разделению одиночного отклика и диффузного эхо-си гнала от подстилающей поверхности.
Кроме вышеперечисленного, следует отмстить, что параметрами ло-цирующего импульса можно относительно просто управлять, изменяя характеристики генератора. Более того, в стационарных радиолокационных установках, организованных по модульно-блочному принципу, может быть использована линейка стандартных генераторов, настроенных на разные частоты и с разными параметрами импульсов, что позволит оперативно изменять характеристики лоцирующих импульсов непосредственно в процессе работы станции.
Возможности СШП радиолокации:
- повышение точности измерения расстояния до цели и разрешающей способность по дальности;
- распознавание класса и типа цели, а также получение радиоизображения цели, поскольку принятый сигнал несет информацию не только о цели в целом, но и об ее отдельных элементах;
10
- повышение вероятности обнаружения и устойчивости сопровождения цели за счет увеличения эффективной поверхности рассеяния (ЭГ1Р) цели;
- повышение вероятности обнаружения и устойчивости сопровождения цели за счет устранения «нулей» в структуре вторичных диаграмм направленности (ДН) облучаемых целей, так как колебания, отраженные от отдельных элементов цели не интерферируют;
- повышение устойчивости сопровождения цели под низким углом места за счет устранения интерференционных провалов в ДН антенны, поскольку сигнал, отраженный от цели и сигнал, переотраженный от земли, разделяются во времени, что позволяет произвести их селекцию;
- уменьшение "мертвой зоны”;
- повышение устойчивости к воздействию всех видов пассивных помех -дождя, тумана, подстилающей поверхности, аэрозолей, металлизированных полос и т.п., поскольку ЭПР помех в малом импульсном объеме становится соизмеримой с ЭПР цели;
- повышение устойчивости к воздействию внешних электромагнитных излучений и помех;
- повышение электромагнитной совместимости;
- изменение характеристик излучения (ширины и формы диаграммы направленности) путем изменения параметров излучаемого сигнала; в том числе возможность получения сверхузкой ДІІ;
- повышение скрытности работы.
Применения сверхшнрокополосных сигналов
Технические и эксплуатационные преимущества ШУВ позволяют уверенно прогнозировать много интересных применений, например, в следующих областях:
1. Телекоммуникации. 1ЛМЗ-устройства могут служить для соединения самых различных устройств (телефон, телевизор, компьютер и др.) и
II
без труда способны обеспечить передачу видео, аудио и данных. Поэтому про UWB говорят как про "Bluetooth будущего".
2. Радиолокация. В этой области для UWB имеется широкое поле действия. Это авиационные радары коммерческого и военного применения, портативные промышленные радары для мониторинга и контроля процессов, охранные системы. UWB вписываются и в медицинские приложения, такие, как мониторинг работы сердца, органов дыхания и т. п.
3. Задачи позиционирования. Возможность измерения расстояний с точностью до сантиметров позволяет широко использовать системы UWB для определения местоположения различных объектов, дистанционного управления транспортными средствами, промышленными роботами и т.д.
4. Специальные (государственные и военные) применения. Это связано с совокупностью таких свойств, как высокая помехозащищенность, скрытность, малое энергопотребление и прос тота реализации.
Для реализации нового качества связи, описанного выше, необходима теоретическая база, позволяющая рассчитывать характеристики СШП радаров и определять требования к их элементам, а также создание необходимой аппаратуры: устройств формирования, излучения, приема и обработки СШП сигналов.
Определение свсрхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов
Для определения СШП сигнала введен критерий отношения ширины спектра сигнала к его средней частоте [9,13,14]. Для СШП сигнала эта величина должна быть от 0,2 до 2. Одновременно со сверхширокополосио-стью, сигнал может быть как длинным, коротким, так и сверхкоротким (СКИ). Вместе с тем и СКИ может быть как узкополосным, широкополосным, так и сверхширокополосным. Для определения СКИ введен критерий L/cr»l, где L - характерный размер антенны (передающей или прием-
- Київ+380960830922