Глава 6. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ, ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ, ЧАСТОТНАЯ И ФАЗОВАЯ СЕЛЕКЦИИ

6.1. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СЕЛЕКЦИЯ И ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ ПУТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ЗАДАННОЙ ФОРМЫ

В настоящее время наметились два основных пути повышения пространственной селекции:

— выбор распределения амплитуды и фазы электромагнитного поля в раскрыве антенны;

— применение антенн с нелинейной обработкой сигналов.

1. Выбор амплитудного и фазового распределений поля в раскрыве антенны

В синфазных антенных системах улучшение их пространственной избирательности достигается выбором амплитудного распределения поля в раскрыве. Чтобы исключить неоднозначность измерения угловых координат источников излучения, необходимо уменьшать уровень боковых лепестков диаграммы направленности. При заданных размерах антенны это обеспечивается выбором амплитудного распределения, плавно спадающего к краям раскрыва. Однако такое распределение вызывает увеличение ширины главного лепестка диаграммы направленности.

В теории антенн доказывается, что может быть создана оптимальная антенна, диаграмма направленности которой при заданной ширине главного лепестка имеет минимальный уровень боковых лепестков. Такая диаграмма направленности описывается полиномом Чебышева [2, 187]. При защите РЛС, например, от помех, которые создаются объектами, вынесенными относительно цели, при необходимости значительного снижения уровня боковых лепестков и более) полезно применять чебышевские диаграммы направленности. Возникающее при этом некоторое

увеличение ширины главного луча приводит к уменьшению эффективной площади антенны и является платой за повышение помехозащищенности РЭС по отношению к помехам, действующим по боковым лепесткам диаграммы направленности. Наилучшим образом задача улучшения разрешающей способности при одновременном уменьшении уровня боковых лепестков решается в классе линейных синфазных антенн выбором размера антенны и чебышевского распределения поля по ее раскрыву.

Для больших антенных систем, размеры которых со- измеримы с расстоянием до цели, измерения координат проводятся в промежуточной зоне дифракционной диаграммы, где угловые размеры главного луча диаграммы возрастают по сравнению с шириной диаграммы направленности в дальней зоне (рис. 6.1). Поэтому в промежуточной области разрешающая способность синфазных антенн ухудшается. Простое увеличение апертуры антенны не дает улучшения разрешающей способности по угловым координатам, так как в промежуточной области сечение луча соизмеримо с размерами антенны. Увеличение ширины луча объясняется наличием квадратичных фазовых искажений поля в раскрыве антенны [136, 187]. Компенсация этих искажений позволяет так же, как и в оптике, проводить фокусирование луча на заданную дальность. Этим достигается существенное улучшение разрешающей способности РЭС.

Фокусирование антенны может быть достигнуто конструктивным выполнением ее в виде сферы. Кривизна антенны определяет дальность фокусирования. Особенно удобно проводить фокусирование в фазированных антенных решетках (ФАР), где компенсация паразитных фазовых набегов проводится фазовращателями.

Рис. 6.1.

Фокусирование антенны увеличивает ее коэффициент усиления степень повышения которого можно оценить величиной [136, 187]

где коэффициент усиления синфазной антенны с равномерным распределением поля по раскрыву; дальность фокусирования.

Улучшение угловой разрешающей способности удобно характеризовать отношением ширины луча синфазной антенны к ширине луча фокусированной антенны

Фокусирование широко применяется в РЛС с синтезированным раскрывом и в голографических РЛС.

В принципе, подбором соответствующих амплитудных и фазовых распределений при заданной апертуре антенны можно получить чрезвычайно узкие диаграммы направленности («сверхнаправленные» антенны). С. А. Щелкуновым теоретически показано, что это обеспечивается созданием резко осциллирующего по фазе и амплитуде распределения поля по раскрыву [161, 205]. Поля, создаваемые одновременно каждым элементом такой антенны, вследствие благоприятной интерференции складываются в пространстве, что и приводит к явлению сверхнаправленности.

При осциллирующих распределениях амплитуды и фазы по раскрыву резко возрастает доля реактивной энергии, накапливаемой вблизи антенны. Вследствие этого уменьшается излучаемая мощность.

В антенных решетках сверхнаправленность получается путем более тесного расположения излучателей на расстояниях, меньших Достигаемое таким образом увеличение направленных свойств антенны приводит к уменьшению ее k. п .д., так как растет число фидерных линий, передающих энергию с потерями. Кроме того, при уменьшении расстояния между элементарными антеннами сужается полоса пропускания антенной системы.

Общими недостатками сверхнаправленных антенн являются:

— уменьшение к. п. д.;

— сужение полосы рабочих частот;

— невозможность электрического управления пространственным положением луча;

— сложность выполнения фидерных систем. Явление сверхнаправленности может быть использовано для сравнительно небольших антенных систем или антенных решеток с малым числом излучателей.

2. Антенны с нелинейной обработкой сигналов

Существует большое разнообразие антенных систем с нелинейной обработкой сигналов. Результирующий выходной сигнал такой антенной системы характеризуется нелинейной функцией сигналов (произведением, степенью и т. д.), формируемых элементарными антеннами [15, 136, 204]. Нелинейная обработка позволяет синтезировать любую диаграмму направленности, которая может быть получена выбором амплитудно-фазового распределения в обычной линейной решетке. Как правило, нелинейная обработка проводится для увеличения направленности антенны (при заданных ее размерах) и снижения уровня боковых лепестков. Типичным представителем антенн рассматриваемого класса является мультипликативный интерферометр с двумя антеннами, разнесенными на расстояние

Пусть элементарная антенна интерферометра имеет диаграмму направленности где Тогда сигнал на выходе перемножающего устройства равен

где коэффициент пропорциональности. Аналогичная линейная антенна имеет диаграмму направленности

Сравнение и ил показывает, что нелинейная обработка сужает диаграмму направленности.

Значительное увеличение направленности может быть получено многократным перемножением сигналов нескольких антенн. В книгах [15, 136, 187] приведены разновидности нелинейных антенных систем.

Антенны с нелинейной обработкой сигналов имеют ряд недостатков:

— снижение отношения сигнал/шум пропорционально отношению числа элементов в решетке с нелинейной

обработкой к количеству элементов в обычной равномерной линейной решетке;

— зависимость разрешающей способности от относительной интенсивности сигналов, что связано с эффектом подавления слабого сигнала более сильным в нелинейном устройстве.

Если не считаться с увеличением коэффициента шума I! нелинейных антенных системах, то такие антенны дают выигрыш в разрешающей способности. Для некоторых типов антенн этот выигрыш оценивается коэффициентом 1,2 [15].

Нелинейные антенные системы могут применяться для улучшения разрешающей способности при возможности длительного накопления сигнала, когда уменьшение отношения сигнал/шум, связанное с нелинейной обработкой, является второстепенным фактором.