Воскресенський Д. І., Овчинникова Е. В. Московський авіаційний інститут (державний технічний університет) МАІ Волоколамське шосе, буд.4, Москва 125871, Росія Тел.: +7 (095) 1584740; e-mail: voskr (S> mai . ru

Анотація Розглянуто дві методики синтезу скануючих кільцевих концентричних антенних решіток (ККАР) з використанням ряду Фур’є-Бесселя і розкладання Шлемільха.

I. Вступ

У наземних РЛС і систем зв’язку необхідні фазовані антенні грати (ФАР) з круговим оглядом простору в азимутальної площині. Одним з можливих способів реалізації таких ФАР є ККАР. Вони дозволяють здійснювати ширококутне неспотворене сканування в межах 360 ° в азимутальної площині і не вимагають комутації випромінюючого розкриву при скануванні. Перевагою ККАР є можливість розміщення випромінювачів з великим кроком без появи дифракційних максимумів, що дає можливість послабити взаємодія випромінювачів в решітці. Однак, ККАР з мінімальним числом елементів мають високий рівень бічних пелюсток (УБЛ). У доповіді наводяться методики синтезу скануючих ККАР, що дозволяють забезпечити заданий УБЛ при збереженні центральної симетрії розміщення випромінювачів.

II. Основна частина

При синтезі ККАР підлягають визначенню радіуси кілець, кутовий крок випромінювачів на кільцях, кутове зміщення випромінювача на кожному кільці, а також амплітуда і фаза випромінювача. Завдання спрощується, якщо вважати фазовий розподіл відомим і відповідним формування променя в напрямку ф = 0,9 = 90 °. На відміну від завдань синтезу, розглянутих раніше в літературі [1-6], тут необхідно забезпечити азимутальної симетрію розташування випромінювачів. Еквідистантно розташування випромінювачів на кільцях дозволяє здійснювати сканування в широкому секторі (360 °) в азимутальної площині із збереженням УБЛ при скануванні.

У доповіді наведено рішення завдання синтезу для ККАР з безперервних кільцевих випромінювачів. Застосування відомих методів дискретизації дозволяє перейти від безперервної до дискретної кільцевої випромінюючої системі. Чисельне дослідження характеристик спрямованості ККАР показує, що результати синтезу, отримані для решітки з безперервних кільцевих випромінювачів, можуть бути використані для дискретної решітки з малим кроком d

Розглянуті в доповіді методики синтезу з використанням ряду Фур’є-Бесселя і розкладання Шлемільха, розроблені на основі методу парціальних діаграм і дозволяють визначити параметри випромінюючої системи по заданій діаграмі спрямованості (ДН). При цьому синтезируемая функція повинна задовольняти відомим умовам із загальної теорії синтезу [1]. Розкладання Шлемільха також накладає обмеження на клас синтезованих функцій. Воно справедливо тільки для безперервних функцій. Розкладання Фур’є-Бесселя може бути застосовано і до кусочно-безперервним функцій. Крім того, синтезируемая функція при використанні методу парціальних діаграм повинна бути представлена ​​у вигляді, зручному для розкладання в ряд по функціях Бесселя першого роду нульового порядку. Найбільш зручними функціями для розкладання в ряд по функціях Бесселя є циліндричні функції. У доповіді наведено приклади синтезу ККАР з ДН у вигляді циліндричних функцій Лр(Х) першого і другого порядку. При синтезі ДН у вигляді ЛР -Функції, зі зменшенням УБП відбувається одночасне розширення променя. Залежність ширини променя і УБП від порядку А-функції наводиться в таблиці 1.

Таблиця 1.

‘Співвідношення знайдено наближено

і справедливо для

решіток великих розмірів, тобто при радіусі максимального КІЛЬЦЕ Rmax »1 –

Відмінною особливістю методик є форма центрального випромінювача. При розкладанні функції в ряд Фур’є-Бесселя відсутня постійна складова (центральний випромінювач в решітці). В цьому випадку перший випромінювачем є кільце мінімального радіусу.

У доповіді наводяться ДН ККАР з УБЛ = -18 і -24 дБ. Результати чисельного дослідження характеристик спрямованості показують, що зі зменшенням УБЛ зростає число випромінювачів в решітці і значно перевищує мінімальне. У таблиці 2 наводяться результати чисельного дослідження характеристик спрямованості ККАР для різної ширини променя (2фо, 7 = 1,5 °, 5 ° і 10 °) і допустимого УБЛ = 18дБ, при скануванні в межах 360°.

o’

CM

d

УБЛ.дБ

N

Nmin

1,5°

0.25X

-18

20640

241

1,5°

0.5X

-18

10300

241

1,5°

X

-18

5131

241

0.25X

-18

1985

73

0.5X

-18

987

73

X

-18

487

73

10°

0.25X

-18

534

37

10°

0.5X

-18

286

37

10°

X

-18

131

37

* Значення, відповідає середньому бічного фону.

I. Висновок

Таким чином, розроблені методики синтезу скануючої ККАР по заданому УБЛ з використанням розкладання Шлемільха і ряду Фур’є-Бесселя.

Виявлено можливість мінімізації УБЛ в ККАР шляхом збільшення числа елементів у системі. Показано збільшення числа елементів, порівняно з мінімальним, при забезпеченні заданого максимального УБЛ і рівня бокового випромінювання. Встановлено залежності УБЛ від ширини променя і числа випромінювачів в ККАР.

Наведено приклади розрахунку концентричній дискретної системи випромінювачів із заданим УБЛ = 18 і -24 дБ.

II. Список літератури

[1] Зелкін Е. Г. Побудова випромінюючої системи по заданій діаграмі спрямованості.

М.-Л., Енергоіздат, 1963.

[2] Габріельян Д. Д., Міщенко С. Є. Метод амплітуднофазового синтезу антенної решітки довільної геометрії. Радіотехніка та електроніка, 1995, т. 40, № 7.

[3] Міщенко С. Є., Землянський С. В. Амплітудно-фазовий синтез антеною решітки з довільним розміщенням випромінювачів за заданою векторної діаграмі спрямованості. Матеріали всеросійської конференції «Випромінювання і розсіювання ЕМВ», Таганрог, червень 18-23, 2001 р.

[4]  P. Knight. Synthesizing The Radiation Pattern of Ring Aerial. Industrial Electron., 1963, V. 1, No. 10, pp. 538-543.

[5]  M. Vicente-Lozano, F. Ares-Pena, and E. Moreno. PencilBeam Pattern Synthesis with a Uniformly Exited Multi-Ring Planar Antenna, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 42, No. 6, December 2000.

[6] Дзюба В. І., Осипов Jl. В. Оптимізація розміщення елементів антенної системи при центральносімметрічном побудові. Антени: СБ статей. Вип. 37. Під ред. А. А. Леманского, М.: Радіо і зв’язок, 1990.

SYNTHESIS OF CONCENTRIC RING ANTENNA ARRAYS

Voskresensky D. I., Ovchinnikova E. V.

Moscow State Aviation Institute (technical university) MAI, 4,Volokolamskoe shosse, Moscow 125871,Russia phone: (095) 1584740 e-mail: voskr&.mai.ru

Abstract -Two algorithms for synthesis the scanning concentric ring antenna-array (CRAA) using Fourier-Bessel and Shlemilkh transforms are considered.

I.  Introduction

Phased antenna-arrays (PAA) with all-around looking are necessary in ground-based radar and communication systems. One possible form of realization these PAA are the CRAA with wide-angle undistorted beam steering within 360°-azimuth sector which do not require commutation of radiating aperture when scanning. Application of CRAA gives a possibility to decrease number of antenna elements. However, CRAA using minimal number of controlled elements possess high side lobe level (SLL). Two algorithms for synthesis of CRAA with a given SLL are presented.

II.  Main part

Synthesizing the CRAA, it is necessary to find radii of rings, angular array spacing along rings, angular displacements of radiators on every ring and also amplitude and phase of each element. This problem can be simplified if the phase distribution is given by function, providing maximum far field pattern along the direction ф = 0,9 = 90 °. Presented algorithms for synthesis allow keeping the central symmetry of antenna element arrangement. Central symmetry of CRAA provides distortion-free, wide-angle scanning. But the solution is possible for a limited class of functions. Given pattern can be presented as a series of first kind 0th order Bessel functions. The patterns of CRAA with amplitude distribution Ap(x) providing the required SLL are described in the paper. Numerical calculations show that the SLL decrease leads to beam width and element number increase. The dependence of beam width on SLL is given in Table 1. The dependence of element number on SLL is given in Table 2.

III.  Conclusion

In conclusion, two algorithms of CRAA synthesis using Fourier-Bessel and Shlemilkh transforms are presented. The possibility of decrease SLL by means of increase the number of antenna elements is shown. Characteristics of CRAA with a given SLL are presented.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.