Для подавления запроса от боковых лепестков используется различие энергетических уровней излучения главного и боковых лепестков.
1.2.1. Подавление запроса от боковых лепестков диаграммы направленности диспетчерских ВРЛ осуществляется использованием так называемой трехимпульсной системы (см. рис.2*).
Рис. 2 Подавление запроса от боковых лепестков ДРЛ по трехимпульсной системе
К двум импульсам запросного кода Р1 и РЗ, излучаемым направленной антенной радиолокатора, добавляется третий импульс Р2 (импульс подавления), излучаемый отдельной всенаправленной антенной (антенной подавления). Импульс подавления по времени отстает на 2 мкс от первого импульса запросного кода. Энергетический уровень излучения антенны подавления подбирается таким образом, чтобы в местах приема уровень сигнала подавления был заведомо больше уровня сигналов, излучаемых боковыми лепестками и меньше уровня сигналов, излучаемых главным лепестком.
В ответчике производится сравнение амплитуд импульсов кода Р1, РЗ и импульса подавления Р2. При приеме запросного кода в направлении бокового лепестка, когда уровень сигнала подавления равен или превышает уровень сигналов запросного кода, ответ не производится. Ответ производится только тогда, когда уровень Р1, РЗ больше уровня Р2 на 9 дБ и более.
1.2.2. Подавление запроса от боковых лепестков диаграммы направленности посадочных радиолокаторов производится в блоке БПС, в котором реализован способ подавления с плавающим порогом (см. рис.3).
Рис.3 Получение пакета ответных сигналов
при применении системы подавления с плавающим порогом
Этот способ заключается в том, что в БПС с помощью инерционной следящей системы запоминается в виде напряжения уровень сигналов, принятых от основного лепестка диаграммы направленности. Часть этого напряжения, соответствующая заданному уровню, превышающему уровень сигналов боковых лепестков, устанавливается в качестве порога на выходе усилителя и в следующее облучение ответ производится только при превышении запросными сигналами значения этого порога. Это напряжение корректируется в последующие облучения.
1.3. Структура ответного сигнала
Ответный сигнал, содержащий какое-либо слово информации, состоит из координатного кода, кода ключа и информационного кода (см. рис.4а*).
Рис.4 Структура ответного кода
Координатный код двухимпульсный, его структура различна для каждого слова информации (см. рис. 4б,в*).
Код ключа трехимпульсный, его структура различна для каждого слова информации (см. рис. 4б,в*).
Код информации содержит 40 импульсов, составляющих 20 разрядов двоичного кода. Каждый разряд (см. рис. 4а,г) содержит два импульса, отстоящих друг от друга на 160 мкс. Интервал между импульсами одного разряда заполнен импульсами других разрядов. Каждый разряд несет в себе двоичную информацию: символ “1” или символ “0”. В ответчике СО-69 для передачи двух символов используется метод активной паузы, символ “0” передается импульсом, запаздывающим на 4 мкс относительно того момента времени, в который бы передавался импульс, обозначающий символ “1”. Две возможные позиции импульса для каждого разряда (“1” или “0”) показаны крестиками. Интервал времени между двумя символами “1” (или “0”), следующими друг за другом, принят равным 8 мкс. Следовательно, интервал между следующими друг за другом символами “1” и “0” составит 12 мкс, а если за символом “0” следует символ “1”, то интервал между импульсами будет 4 мкс.
Первый разряд передает один импульс, который обозначает единицу, если он задержан на 4 мкс, и нуль, если он задержан на 8 мкс. Второй разряд также передает один импульс, который обозначает 2, если он задержан на 4 мкс относительно предыдущего разряда, нуль если он задержан на 8 мкс. Третий разряд передает 4 и 0, также в зависимости от их положения, 4-й разряд передает 8 и 0.
Так, например, цифра 6 передается как число 0110 в двоичной записи, то есть как сумма 0+2+4+0 (см.рис.1)
Информация, переданная за 160 мкс, в следующие 160 мкс передается второй раз, что значительно повышает помехоустойчивость передачи информации.
Ширина главного лепестка и уровень боковых лепестков
Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии. Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности). Ширина ДН обозначается так:
2и - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5;
2и - ширина ДН по напряжённости на уровне 0,707.
Индексом Е или Н обозначают ширину ДН в соответствующей плоскости: 2и, 2и. Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряжённости поля или уровень - 3 дБ в логарифмическом масштабе:
Экспериментально ширину ДН удобно определять по графику, например, как это показано на рисунке 11.
Рисунок 11
Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами.
Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амплитуды напряжённости поля в направлении максимума первого бокового лепестка к амплитуде напряжённости поля в направлении максимума главного лепестка (рисунок 12):
Рисунок 12
Выражается этот уровень в абсолютных единицах, либо в децибелах:
Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны
Коэффициент направленного действия (КНД) количественно характеризует направленные свойства реальной антенны по сравнению с эталонной ненаправленной (изотропной) с ДН в виде сферы:
КНД - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности П(и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:
С учётом (25) можно получить:
Коэффициент усиления (КУ) антенны - это параметр, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида энергии в другой.
КУ - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ (и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы.
Коэффициент усиления можно выразить через КНД:
где - коэффициент полезного действия антенны. На практике используют - коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения.
Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны
Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат.
Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается фазовая ДН следующим образом: Ш = Ш (и, ц) при r = const.
Если Ш (и, ц) = const при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат, называют фазовым центром антенны (ФЦА). Следует отметить, что фазовый центр имеют не все антенны.
У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чёткими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на р (180°). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется на рисунке 13.
Рисунок 13 - Амплитудная и фазовая ДН
Направление распространения ЭМВ и положение её фазового фронта в каждой точке пространства взаимно перпендикулярны.
В идеале луч, направляемый антенной на спутник, должен иметь форму острого карандаша. К сожалению, поскольку длина волн в данном случае мала по сравнению с апертурой (диаметром) антенны, фиксированная фокальная точка в действительности не является точной. Это вызывает небольшое расхождение главного луча и некоторое нежелательное улавливание внеосевых сигналов. Результирующая полярная диаграмма состоит из узкого луча, называемого главным лепестком и серии боковых лепестков меньшей амплитуды.
Типовая диаграмма направленности параболического
рефлектора в полярной системе координат
Поскольку полярную диаграмму часто трудно интерпретировать, предпочтение отдается форме представления в прямоугольной системе координат. Нормированная теоретическая характеристика сигнала для равномерно облучаемой антенны диаметром 65 см на частоте 11 ГГц представлена на рисунке:
На самом деле факторы, перечисленные выше, будут способствовать внесению неровностей в данную характеристику, но общая картина показанной зависимости останется неизменной.
Фоновый шум поступает на антенную систему в основном через боковые лепестки, поэтому необходимо, чтобы они были как можно меньше по отношению к амплитуде главного лепестка. Равномерно облучаемая антенна теоретически создает первый и самый большой из этих боковых лепестков на уровне около -17,6 дБ ниже максимального значения главного лепестка.
На практике облучение редко бывает равномерным. Точность распределения облучения зависит от типа установленного облучателя. Это приводит нас к понятию эффективной площади или эффективности антенной системы. Другими словами, наибольшая часть мощности сигнала собирается с центральной части зеркала и уменьшается по направлению к внешним краям антенны. Поэтому слабый раскрыв рефлектора антенны может служить защитой от фонового шума.
Неполное (недостаточное) облучение зеркала уменьшает уровень первого бокового лепестка до значения менее -20 дБ, снижая таким образом воздействие фонового шума. На первый взгляд, это решение кажется идеальным, но оно приводит к некоторым нежелательным последствиям - уменьшению коэффициента усиления антенны и соответствующему увеличению ширины луча (главного лепестка). Основной характеристикой диаграммы направленности антенны является ее ширина по уровню половинной мощности, которая рассчитывается как,ширина главного лепестка диаграммы на уровне -3 дБ. Уравнения, которые применяются для вычисления ширины диаграммы направленности на любом заданном уровне главного лепестка, достаточно сложны и трудоемки для выполнения. Однако такие параметры, как ширина главного лепестка на уровне -3 дБ, амплитуда первого бокового лепестка и расположение первого нуля (провала в диаграмме направленности), зависящего от установленного способа облучения, могут быть легко рассчитаны при помощи выражений, приведенных ниже в таблице. Косинусное распределение близко к среднему, и если способ принятого облучения неизвестен, то оно может быть использовано в качестве первого приближения при расчете ширины диаграммы направленности на уровне -3 дБ.
Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии.
Ширина ДН – это угол между двумя направлениями и в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряженности электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального по плотности значения мощности).
Ширина ДН обозначается так: 2θ 0,5 - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5; 2θ 0,707 - ширина ДН по напряженности на уровне 0,707.
Индекс Е или Н, изображенный выше, означает ширину ДН в соответствующей плоскости: , . Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряженности поля или уровень - 3дБ в логарифмическом масштабе:
Ширина ДН одной и той же антенны, представленной по напряженности поля, по мощности или в логарифмическом масштабе и измеренная на соответствующих уровнях, будет одинаковой:
Экспериментально ширина ДН легко находится по графику ДН, изображенной в той или иной системе координат, например, как это показано на рисунке.
Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на скрытность работы радиотехнического устройства и на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами.
Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амплитуды напряженности поля в направлении максимума бокового лепестка к амплитуде напряженности поля в направлении максимума главного лепестка:
На практике этот уровень выражают в абсолютных единицах, либо в деци-белах. Наибольший интерес представляет уровень первого бокового лепестка. Иногда оперируют усредненным уровнем боковых лепестков.
4. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны.
Коэффициент направленного действия количественно характеризует направленные свойства реальной антенн по сравнению с эталонной антенной, представляющей собой совершенно ненаправленный (изотропный) излучатель с ДН в виде сферы:
КНД - это число, показывающее во сколько раз плотность потока мощности П(θ,φ) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности
П Э (θ,φ) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:
С учетом (1) можем получить:
где D 0 - КНД в направлении максимального излучения.
На практике, говоря о КНД антенны, подразумевают значение, которое полностью определяется диаграммой направленности антенны:
В инженерных расчетах пользуются приближенной эмпирической формулой, связывающей КНД с шириной ДН антенны в главных плоскостях:
Так как на практике затруднительно определить мощность излучения антенны (а тем более выполнить условие равенства мощностей излучения эталонной и реальной антенн), то вводят понятие коэффициента усиления антенны, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и ее возможности по преобразованию одного вида энергии в другой.
Это выражается в том, что в определении, аналогичному КНД, изменяется условие, причем очевидно, что коэффициент полезного действия эталонной антенны равен единице:
где P A - мощность, подведенная к антенне.
Тогда коэффициент направленного действия выражается через коэффициент направленного действия следующим образом:
где η А - коэффициент полезного действия антенны.
На практике используют G 0 - коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения.
5. Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны.
Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной от угловых координат. Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается ФДН следующим образом:
Ψ = Ψ (θ,φ) при r = const.
Если Ψ (θ,φ) при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат называют фазовым центром антенны (ФЦА). Фазовый центр имеют не все антенны.
У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с четкими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на (180 0). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется следующим рисунком.
Так как направление распространения ЭМВ и положение ее фазового фронта взаимно перпендикулярны в каждой точке пространства, то измеряя положение фазового фронта волны, можно косвенно определить направление на источник излучения (пеленгование фазовыми методами).