РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 5, с. 572-579
АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ
УДК 621.396.96
ОЦЕНКА ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ НА ВЫХОДЕ ПРИЕМНОЙ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ © 2004 г. В. А. Кашин
Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Дана сравнительная оценка отношения сигнал/шум на выходах активной и пассивной фазированных антенных решеток с пространственным возбуждением и одинаковой электродинамической схемой построения. Показано, что это отношение выше у активной решетки, так как оно не зависит от потерь мощности облучателя, связанных с ее переливами за края раскрыва. Проведен анализ реализуемого отношения сигнал/шум при формировании расширенного луча в активной решетке амплитудным и фазовым методами.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим два типа плоских приемных фазированных антенных решеток (ФАР) с пространственным суммированием мощностей с выходов антенных элементов: активную (АФАР) и пассивную, которую в дальнейшем будем называть просто ФАР (рис. 1 и 2). Совокупность антенных элементов этих антенных решеток образует фазированную линзу, фокусирующую прошедшую через нее электромагнитную волну на раскрыв приемного рупора.
Антенные элементы АФАР (рис. 1) содержат входные Ia и выходные Ib излучатели, малошумя-щие усилители (МШУ) и фазовращатели Ф. Предполагаем, что от фазируемой линзы АФАР можно перейти к фазируемой линзе ФАР путем замены МШУ на секции регулярных волноводов L, т. е. пассивные элементы обеих линз - излучатели Ia и Ib и фазовращатели Ф идентичны по конструкции с одинаковыми электродинамическими характеристиками. Считаем, что внешняя граница обеих линз a-a так же, как и внутренняя b-b, имеет одинаковые параметры электродинамического согласования со свободным пространством. Одинаковыми по конструкции и размещению относительно линз являются приемные рупоры обеих антенных решеток. ФАР (рис. 2) имеет единственный МШУ, размещенный на выходе приемного рупора.
Считаем, что пассивные элементы обеих антенных решеток не имеют омических потерь и МШУ являются единственными источниками шумов в них. МШУ как пассивной, так и активной решетки имеют идентичные конструкции и характеризуются в рабочей полосе частот одинаковыми коэффициентами шума F и усиления Q, т. е. одинаковыми мощностями собственных шумов P0, приведенных к выходу усилителей. Рабочую
полосу частот полагаем достаточно узкой, чтобы считать постоянными в ее пределах параметры Q, Е и Р0. Для этой полосы частот будем полагать также, что МШУ являются идеально согласованными по входу и выходу.
Поставим задачу: определить при работе в приемном режиме отношение мощностей сигнала и шума (отношение сигнал/шум) на выходе приемного рупора АФАР (рис. 1) и сравнить его с отношением сигнал/шум на выходе МШУ приемного рупора ФАР (рис. 2).
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ШУМА НА ВЫХОДЕ ПРИЕМНОЙ АФАР
Предположим, что решетки на рис. 1 и 2 являются эквидистантными, их элементы располагаются по строкам и столбцам и каждый элемент пронумерован индексами п и т. При оценке сум-
г I
' nm
(anm, Pnm)
I
I I
I I
I
Рис. 1. Активная ФАР.
b
a
I
I
b
a
b
a
пт'
(апт, Рпт)
(Ф
®
® ®
ГФ
ь
Ь
ь
ь
ь
Рис. 2. Пассивная ФАР.
Рис. 3. Антенная решетка, возбуждаемая генератором шума.
марной мощности шума МШУ АФАР можно рассматривать как некогерентные СВЧ-генераторы с выходной мощностью, равной мощности их собственного шума Р0. Для приемного рупора эти генераторы являются независимыми и принимаемую мощность от каждого из них можно рассматривать без учета наличия других.
Определим мощность шума в выходном тракте приемного рупора АФАР, принятую от ее пт-го антенного элемента. Пусть гпт - расстояние между пт-м излучателем 1ь и приемным рупором, апт и Рпт - углы, задающие направление от пт-го излучателя на рупор, 6пт и фпт - углы, задающие направление от рупора на пт-й излучатель (рис. 1). Введем диаграмму направленности по полю Да^, Рпт) пт-го излучателя 1ь при возбуждении его мощностью выходного шума своего МШУ. Полагаем, что АФАР содержит достаточно большое число элементов, чтобы можно было пренебречь краевыми эффектами и считать диаграммы направленности излучателей 1ь одинаковыми. Нормируем диаграмму направленности так, чтобы
!Да пт пт )|2 = gо(аnm, РптХ
где g0(аnm, впт) - коэффициент усиления излучателя.
Если g(6nm, фпт) - коэффициент усиления приемного рупора, то мощность шума Рпт, принятая рупором от пт-го излучателя 1ь, составляет:
где
Р =
РоX go(а
Рпт)g(^пт> фпт)
не 2 2
16 П Тп„
(1)
п
= I
х go( пт пт )g(6nm> фпт)
1/с 2 2
16 П Тп„
(3)
Покажем, что коэффициент
п < 1.
где X - длина волны излучения.
Суммируя Рпт, получим выражение для полной мощности шумов Рх на выходе приемного рупора:
Рх = РоП,
(2)
(4)
Для этого дадим другую физическую интерпретацию выражениям (1) и (2). Предположим, что к приемному рупору АФАР подключен согласованный с фидерным трактом в ее рабочей полосе генератор Г с мощностью Р0 и вместо МШУ в антенных элементах установлены согласованные нагрузки Н. Тогда придем к схеме антенной решетки, представленной на рис. 3, с антенными элементами, работающими в приемном режиме по отношению к излучающему рупору. Мощность, принятая пт-м антенным элементом, будет равна (1), где величина g0(аnm, Рпт) теперь является коэффициентом усиления излучателя 1ь в приемном режиме его работы. Суммарная мощность Рх, принятая совокупностью всех антенных элементов, описывается выражениями (2) и (3). Из схемы рис. 3 следует, что Рх - это только часть мощности Р0, излученной генератором; часть мощности генератора "переливается" через края апертуры решетки, а часть отражается от входных элементов.
Таким образом, мы доказали справедливость оценки (4). Назовем выходом ФАР выход ее МШУ, а выходом АФАР - выход приемного рупора. Заметим, что мощность шума в приемном тракте ФАР (рис. 2) на выходе ее МШУ равна Р0. Тогда с учетом (2) и (4) приходим к выводу: мощность суммарного шума на выходе АФАР, обусловленная собственными шумами МШУ ее антенных элементов, меньше мощности шума на выходе ФАР, обусловленной МШУ в тракте приемного
ь
а
I
I
ь
а
ь
а
рупора этой пассивной решетки при условии, что обе решетки имеют одинаковую конструкцию и параметры пассивных элементов и МШУ.
При этом мощность шума на выходе АФАР равна мощности шума на выходе одного из антенных элементов, умноженной на коэффициент ослабления, который используют в пассивных ФАР для учета СВЧ-потерь, обусловленных "переливами" мощности облучателя за края раскрыва.
3. ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ НА ВЫХОДЕ ПРИЕМНОЙ АФАР
Предположим, что АФАР и ФАР принимают плоскую волну, отождествляемую с сигналом, причем направление прихода плоской волны и ее плотность потока мощности одинаковы для АФАР и ФАР. Пусть МШУ обеих решеток имеют коэффициенты усиления Q = 1, т. е. могут быть заменены секциями регулярного волновода. Тогда с точки зрения приема сигнала (без учета вносимых шумов) АФАР и ФАР ничем не различаются, и суммарные сигналы ото всех антенных элементов на выходе приемного рупора АФАР и на выходе МШУ ФАР будут иметь одинаковую мощность Рс.
Если коэффициенты усиления МШУ обеих решеток отличны от единицы, то соответствующие мощности суммарных сигналов W на выходах антенных решеток будут также одинаковы:
W = 6РС
(5)
При этом мощность Рс соответствует теперь мощности на входе МШУ пассивной ФАР. Естественно предположить, что как ФАР, так и АФАР принимает максимальный сигнал, когда луч направлен по нормали к раскрыву. Этому направлению луча соответствует эффективная поверхность приема пассивной ФАР:
^ = ППл$,
(6)
где 5 - геометрическая площадь апертуры антенны, а пА - коэффициент, определяющий потери усиления, обусловленные амплитудным распределением на элементах ФАР [1]:
П а =
II Ап
К Ц| Ап
(7)
Предположим, что плотность потока мощности принимаемой плоской волны есть П. Учтем, что АФАР имеет ту же самую эффективную поверхность приема (6). Тогда из (5) и (6) следует, что мощности сигналов на выходах рассматриваемых антенных решеток определяются выражением
W = епппл^. (8)
Используя (8) и (2), получим следующие выражения для отношений сигнал/шум ЦФАР и Ц.АФАР на выходах ФАР и АФАР:
Цфар
цафар
е п
ппа5 .
е п
П а^ .
(9)
(10)
Как следует из (10), отношение сигнал/шум для АФАР не зависит от потерь на переливы мощности, излученной рупором в режиме передачи за края фазируемой линзы. В результате этого АФАР имеет большую величину отношения сигнал/шум, чем ФАР. Из выражений (9) и (10) следует
цафар/цфар = 1/П, (11)
где п < 1.
Рассмотрим вопрос о зависимости величин (9) и (10) от параметров диаграммы направленности приемного рупора. Исследуем сначала отношение сигнал/шум ЦФАР для пассивной ФАР. Здесь отмечаем аналогию с зеркальными антеннами: в зависимости от увеличения ширины диаграммы направленности приемного рупора коэффициент пА увеличивается (амплитудное распределение становится более равномерным), а коэффициент п уменьшается (возрастает доля мощности, переливающаяся за края апертуры, если рупор работает в режиме излучения). Из теории зеркальных антенн известно [2], что максимум произведения ППА достигается для уровня облучения края апертуры порядка —10___—11 дБ. При этом, как следует
из [2], величина п ~ 0.83, пА ~ 0.87, а произведение
ППа ~ 0.72.
(12)
Здесь К - полное число антенных элементов, Апт -коэффициенты возбуждения антенных элементов, в общем случае являющиеся комплексными числами. Заметим, что выражение (6) имеет место при условии, что границы линзы решетки идеально согласованы со свободным пространством.
Если теперь перейти к случаю АФАР и использовать для нее рупор, обеспечивающий для пассивной ФАР максимальное значение ппА (12), то в силу того, что выражение (10) не зависит от коэффициента п, для отношения сигнал/шум в случае АФАР имеем выигрыш порядка 20% в соответствии с (11).
Если для АФАР применить рупор с более широкой диаграммой направленности, чем для случая (12), обеспечив большую равномерность амплитудного распределения, то можно получить большее значение выигрыша для ЦАФАР по сравнению с ЦФАР.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.