9.1.3. Характеристики рассеянна антенн

Хорошо известные в теории антенн вибраторы, прямоугольные микрополосковые и другие антенны обычно используются в узких частотных диапазонах вблизи резонансных частот Вместе с тем указанные антенны взаимодействуют с СШП возбуждающим сигналом в значительно большей полосе частот. По характеру этого взаимодействия можно косвенно судить о геометрической форме и размерах соответствующей антенны, для чего необходимо проанализировать частотную или импульсную характеристики, выявить особенности их поведения и сопоставить с известными свойствами антенны Таким образом, можно сформулировать задачу распознавания антенн по их характеристикам рассеяния электромагнитных волн в широком диапазоне частот, охватывающим их резонансные частоты. В такой постановке задача распознавания практически соответствует проблеме распознавания радиолокационной цели, которую можно представить совокупностью рассеивателей относительно простой геометрической формы

Тонкая днпольная антенна. Ярко выраженные резонансные свойства проявляет тонкий цилиндр конечной длины, облучаемый полем, электрическая компонента которого параллельна оси цилиндра. Такой цилиндр можно назвать проволокой. Хорошим примером такого типа рассеивателя является тонкая дипольная антенна, имеющая резонансы на частотах, соответствующих длинам волн где обозначает длину одного плеча вибратора антенны.

Импульсная характеристика проволочной дипольной антенны приближенно описывается временной функцией тока, возбуждаемого коротком импульсом электрического поля. Приближенность состоит в том, что строго определяется как реакция на бесконечно узкий импульс в виде функции, а реальный импульс имеет конечную длительность, при этом эффективная длительность возбуждающего импульса определяет ширину спектра воздействующего электрического поля, а значит и спектральную границу колебаний, возбужденных в антенне.

Пример расчета такой тонкой дипольной антенны приведен в [12]. В качестве возбуждающего импульса использовался гауссовский импульс (9.24), имеющий параметр не и эффективную длительность . Эффективная ширина спектра такого импульса составляет Интервал дискретизации при моделировании составлял т.е. частота дискретизации что значительно превосходит

Результат расчета начальной части реакции дипольной антенны с указанными параметрами на воздействие в виде короткого гауссовского импульса приведена на рис. 9.14.

Анализ показывает, что интервалу времени 6,7 нс, за который электромагнитная волна пройдет 2 м, т.е. дойдет до концов дипольной антенны и отразившись от них вернется в центр антенны, соответствует интервалу между соседними однополярпыми выбросами на Именно этот интервал и несет в себе информацию о геометрических размерах (длине) антенны. Ширина выбросов примерно соответсвует эффективной длительности возбуждающего импульса, т.е. не содержит информации о форме антенны. Следует отметить, что для извлечения информации о радиусах цилиндров, из которых выполнена антенна, необходимо длительность импульса задать такой, чтобы обеспечить ширину его спектра порядка рис. 9.12), т.е. в данном случае уменьшить длительность импульса примерно в 10 раз.

График энергетического спектра реакции антенны на гауссовский импульс приведен на рис. 9.15. Энергетический спектр является квадратом модуля преобразования Фурье от временной реакции антенны на соответствующий гауссовский импульс.

Анализ, спектра показывает, что ЭПР вибраторной антенны имеет явно выраженные резонансные частоты, соответствующие длинам волн

Рис. 9.14. Начальная часть нормированной тонкой дипольной антенны

Рис. 9.15. Энергетический спектр реакции дипольной антенны длиной на гауссовский импульс длительностью не

Положение резонансных частот приближенно соответствует зависимости

т.е. резонансы наблюдаются на частотах примерно и т.д. По виду частотной или импульсной характеристик тонкого цилиндра можно ориентировочно определить его длину, т.е. рассеянное поле содержит в себе информацию о геометрических размерах рассеивателя.

Микрополосковая прямоугольная антенна. Многие рассеиватели на практике содержат в своем составе или сами являются тонкими прямоугольными идеально проводящими пластинами. Поэтому исследование характеристик рассеяния прямоугольной пластины является

весьма интересным и важным для практики. Кроме того, такие прямоугольные пластины могут использоваться для создания сверхширокополосных антенн, частотные и импульсные характеристики которых определяются размерами сторон прямоугольника.

Частотная характеристика рассеяния прямоугольной пластины обладает резонансггьтми свойствами, которые в некотором смысле напоминают резонансные свойства частотной характеристики тонкой дипольной антенны, поскольку при уменьшении отношения ширины прямоугольной антенны к ее длине ( и менее) она асимптотически переходит в диполь.

В [13] приведены результаты исследования частотных и импульсных характеристик рассеяния прямоугольной пластины для разных отношений ее длины к ширине. Теоретггческий расчет проводился с помощью метода моментов, а экспериментальные результаты получены путем измерения откликов различных пластин на короткие импульсные воздействия, при этом частотные характеристики определялись путем взятия преобразования Фурье от восстановленной из сигнала, рассеянного плоскостью.

Аналогичные исследования, проведенные с помощью трехмерного конечно-разностного временного метода -метод), представлены в [14, 15] применительно к анализу прямоугольной микрополосковой антенны ("patch-antenna"). Конфигурация антенны представлена на рис. 9.16.

Антенна возбуждается коротким гауссовским импульсом Эффективная длительность импульса составляет что соответствует эффективной ширине спектра Интервал дискретизации при моделировании составлял т.е. частота дискретизации .

Рис. 9.16. Конфигурация прямоугольной микрополосковой антенны

Рис. 9.17. Импульсная характеристика прямоугольной микрополосковой антенны

Рис. 9.18. Передаточная функция прямоугольной микрополосковой антенны

На рис. 9.17 представлены результаты моделирования прямоугольной микрополосковой антенны 114].

Преобразование Фурье от прямоугольной антенны дает передаточную функцию (рис. 9.18), на рисунке для сравнения приведены результаты измерения передаточной функции (модуля комплексного входного сопротивления) реальной антенны в диапазоне частот от 0 до 30 ГГц. Сопоставление графиков показывает их высокую согласованность. Особенно важным параметром является резонансная частота антенны, которая по результатам измерений и моделирования составила примерно 7.52 ГГц.

Оцепим резонансную частоту по формуле [16]

где с - скорость света в вакууме: относительная диэлектрическая проницаемость материала.

Расчет, произведенный по формуле (9.46), подтверждает правильность нахождения резонансной частоты по результатам моделирования антенны.

В [15] приведена формула оценки частотного диапазона В. зависящего от размеров и материала антенны

где ширина микрополосковой антенны; длина микрополосковой антенны; - толщина микрополосковой антенны: рабочая длина волны.

Расчет по этой формуле дает полосу пропускания порядка 1%. что также соответствует результатам моделирования и измерений.

Прямоугольная микрополоековая антенна также проявляет свои резонансные свойства, а, следовательно, может быть идентифицирована по результатам сверхширокополосных измерений.

Проведен анализ временных и частотных характеристик рассеяния объектов относительно простых геометрических форм: сфера, цилиндр, прямоугольная пластина, также даны основные соотношения для теоретического анализа характеристик рассеяния объектов произвольной формы и определения передаточной частотной и импульсной характеристик рассеяния объектов.

В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы. 1. При рассмотрении частотной характеристики рассеяния любого объект а с конечными геометрическими размерами можно выделить три области частот:

низкочастотная область, — размеры объекта значительно меньше длины волны облучающего сигнала (область Рэлея);

резонансная область, - размеры объекта соизмеримы с длиной облучающей волны, в этой области возможно формирование резонансных токов на поверхности объекта, определяющих характеристики рассеянного поля;

высокочастотная область (оптическая область), - длина волны значительно меньше размеров объекта и наблюдается рассеяние палающей волны на «блестящих» точках объекта.

2. Значения резонансных частот тел простой геометрической формы известны заранее, так как они непосредственно связаны с геометрическими размерами объекта, при этом можно выделить основную резонансную частоту, на которой наблюдается наиболее мощное рассеяние, и частоты приблизительно кратные этой основной частоте, соответствующие рассеянию «стоячих» волн более высокого порядка.

3 Для возбуждения колебаний в резонансной области частот объекта необходимо использовать возбуждающий импульс с полосой частот спектра, соответствующий резонансной области частот. При моделировании процессов рассеяния наиболее удобно пользоваться гауссовским импульсом или его производными по времени, поскольку этот импульс имеет гладкую форму и ограниченный спектр.

4. Импульсная характеристика рассеяния объекта является результатом преобразования Фурье от частотной характеристики, поэтому она не содержит никакой дополнительной информации о нем. Вместе с тем является более удобной формой отображения спектральных свойств объекта в широкой полосе частот, поскольку несет в себе одновременно амплитудно-частотную и фазо-частотную информации об объекте, а ее измерение занимает значительно меньше времени, чем измерение частотной характеристики Поэтому определение спектральных параметров рассеяния объектов проводится во временной области по измеренной или восстановленной объекта.