RU2538291C2

RU2538291C2 - Method of reducing level of lateral radiation of antenna

Info

Publication number: RU2538291C2
Application number: RU2012157522/08A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Иванович Воскресенский; Елена Викторовна Овчинникова; Светлана Геннадиевна Кондратьева
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2012157522A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, particularly antenna devices, and can be used in radio direction-finding and radio communication systems for various purposes. The method comprises a performing a given arrangement of radiators of an antenna array, forming a low side lobe beam pattern and forming an antenna array, wherein the given arrangement and formation of the radiators of the antenna array is carried out in space based on the geometric shape of the array of various spatial distributions of radiators of the antenna array: double hexagonal structures, wave-like and comb structures, with bending of the rectangular or circular aperture and other areas of arrangement of elements for which a more uniform lateral radiation is obtained while enabling control of amplitude-phase distribution thereof and equidistant arrangement of the beam pattern of the antenna while maintaining energy characteristics of the antenna array, such as directivity, gain and energy potential.

EFFECT: high accuracy of determining coordinates and noise-immunity.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенным устройствам и может быть использовано в системах радиопеленгации и радиосвязи различного назначения.The invention relates to radio engineering, in particular to antenna devices and can be used in radio direction finding and radio communication systems for various purposes.

Уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности антенны - это нормированный к максимуму диаграммы направленности (ДН) уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков. УБЛ является важнейшей характеристикой антенных решеток, определяющей их помехозащищенность, электромагнитную совместимость, а в радиолинейных системах (РЛС) - вероятность ложного обнаружения целей.The level of the side lobes (UBL) of the antenna pattern is the radiation level normalized to the maximum of the radiation pattern (BF) of the antenna in the direction of the side lobes. UBL is the most important characteristic of antenna arrays, determining their noise immunity, electromagnetic compatibility, and in radio-linear systems (radar) - the probability of false detection of targets.

В современных радиотехнических системах (РЭС) УБЛ не должен превышать -20, -25 дБ. Для достижения такого низкого значения УБЛ на практике применяются различные способы синтеза и оптимизации амплитудно-фазового распределения (АФР), а также размещения элементов в антенной решетке.In modern radio engineering systems (RES) UBL should not exceed -20, -25 dB. To achieve such a low UBL value, various methods of synthesis and optimization of the amplitude-phase distribution (AFR), as well as the placement of elements in the antenna array, are used in practice.

Известны способы синтеза амплитудного распределения для непрерывной апертуры дискретной системы излучателей [1-3]. Известно Дольф-Чебышевское возбуждение [1, 4], которое позволяет при заданной ширине ДН минимизировать УБЛ и, наоборот, при заданном УБЛ минимизировать ширину ДН. В работах [5, 6] предложен метод амплитудно-фазового синтеза антенных решеток произвольной геометрии по заданной ДН.Known methods for the synthesis of amplitude distribution for a continuous aperture of a discrete system of emitters [1-3]. The Dolph – Chebyshev excitation is known [1, 4], which makes it possible to minimize the UBL for a given beam width and, conversely, to minimize the beam width for a given UB. In [5, 6], a method of amplitude-phase synthesis of antenna arrays of arbitrary geometry according to a given pattern was proposed.

Применение этого метода к сканирующим ФАР не представляется возможным, так как он позволяет найти оптимальное АФР только для одного фиксированного направления луча.The application of this method to scanning headlamps is not possible, since it allows you to find the optimal AFR for only one fixed beam direction.

В статье [7] рассматривается методика определения токов возбуждения кольцевой передающей телевизионной антенной решетки из диполей по заданной форме ДН в горизонтальной плоскости.The article [7] discusses the method for determining the excitation currents of a ring transmitting television antenna array from dipoles according to a given shape of the beam in the horizontal plane.

Вопросам синтеза многокольцевых антенных решеток, излучающих по нормали к плоскости размещения излучателей, посвящены работы [8, 9].The synthesis of multi-ring antenna arrays radiating along the normal to the plane of the emitters is devoted to [8, 9].

В статье [9] рассматривается задача оптимизации основных характеристик кольцевых концентрических антенных решеток (ККАР) с равномерным амплитудным распределением, путем оптимального выбора радиусов концентрических окружностей. В работе приводятся результаты оптимизации радиусов ККАР, полученные симплекс-методом.In [9], the problem of optimizing the main characteristics of ring concentric antenna arrays (CCAR) with a uniform amplitude distribution is considered, by the optimal choice of the radii of concentric circles. The paper presents the results of optimization of the radii of the CCAR obtained by the simplex method.

В статье [9] рассматривается задача оптимизации размещения элементов с целью получения минимального УБЛ в заданной зоне углов. Элементы антенной решетки располагаются в узлах ломаных, образующих N-лучевую звезду. Для этой системы приводится описание алгоритма оптимизации и результаты расчета характеристик при разном числе элементов.In article [9], the problem of optimizing the placement of elements in order to obtain the minimum SLL in a given area of angles is considered. Elements of the antenna array are located in the nodes of the broken lines forming an N-ray star. For this system, a description of the optimization algorithm and the results of calculating the characteristics for a different number of elements are given.

В монографии [10] рассматриваются различные методы анализа и синтеза антенных решеток на основе атомарных функций и даются рекомендации по их использованию для разработки.The monograph [10] discusses various methods of analysis and synthesis of antenna arrays based on atomic functions and gives recommendations on their use for development.

Для решения задач синтеза наиболее эффективными оказываются численные методы оптимизации, такие, например, как генетический алгоритм [11].To solve the synthesis problems, the most effective are numerical optimization methods, such as, for example, the genetic algorithm [11].

Однако численные методы оптимизации применимы при работе антенной системы в узкой полосе частот, в связи с чем целесообразно использовать комбинированные методы синтеза амплитудно-фазового распределения и пространственного размещения элементов антенной решетки.However, numerical optimization methods are applicable when operating the antenna system in a narrow frequency band, and therefore it is advisable to use combined methods for the synthesis of the amplitude-phase distribution and spatial distribution of the elements of the antenna array.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ снижения уровня бокового излучения антенны, заключающийся в том, что осуществляют заданное размещение излучателей антенной решетки, формируют диаграммы направленности с низким уровнем боковых лепестков и образуют антенную решетку [9], в котором минимизация УБЛ осуществляется с помощь оптимального размещения элементов на плоской апертуре.The closest in technical essence to the claimed method is the selected as a prototype method of reducing the level of lateral radiation of the antenna, which consists in the fact that they carry out the specified placement of the emitters of the antenna array, form radiation patterns with a low level of side lobes and form the antenna array [9], in which UBL minimization is carried out by means of optimal placement of elements on a flat aperture.

Существенным недостатком этого способа является уменьшение коэффициента усиления антенны по сравнению с его значением при равномерном и эквидистантном заполнении апертуры. Так как при оптимизации размещения уменьшается число элементов. Таким образом, данный способ нельзя применять в системах, для которых важнейшими параметрами являются энергетический потенциал и УБЛ при ограниченной площади апертуры. К таким системам относятся бортовые радиолокационные системы и некоторые наземные телекоммуникационные системы. Для снижения УБЛ без изменения коэффициента направленного действия предложено использовать пространственное размещение элементов в антенной решетке, которое имеет ряд преимуществ по сравнению с плоскостным и поверхностным размещением.A significant drawback of this method is the decrease in the antenna gain compared to its value with uniform and equidistant filling of the aperture. Since the optimization of placement reduces the number of elements. Thus, this method cannot be used in systems for which the most important parameters are the energy potential and UBL with a limited aperture area. Such systems include airborne radar systems and some terrestrial telecommunication systems. To reduce the SLL without changing the coefficient of directional action, it is proposed to use the spatial arrangement of elements in the antenna array, which has several advantages compared to planar and surface placement.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении уровня бокового излучения антенных решеток без изменения коэффициента усиления и в расширении функциональных возможностей, а именно в повышении точности определения координат, помехозащищенности и энергетического потенциала.The technical result of the invention is to reduce the level of lateral radiation of antenna arrays without changing the gain and to expand the functionality, namely to increase the accuracy of determining coordinates, noise immunity and energy potential.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе снижения уровня бокового излучения антенны, заключающемся в том, что осуществляют заданное размещение излучателей антенной решетки, формируют диаграммы направленности с низким уровнем боковых лепестков и образуют антенную решетку, заданное размещение и формирование излучателей антенной решетки осуществляют в пространстве по геометрической форме решетки с возможностью обеспечения контроля их амплитудно-фазового распределения и эквидистантного размещения диаграммы направленности антенны при сохранении энергетических характеристик антенной решетки, таких как коэффициент направленного действия, коэффициент усиления и энергетический потенциал.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of reducing the level of lateral radiation of the antenna, which consists in the fact that they carry out the specified placement of the emitters of the antenna array, form radiation patterns with a low level of side lobes and form the antenna array, the specified placement and formation of the emitters of the antenna array is carried out in space the geometric shape of the lattice with the ability to provide control of their amplitude-phase distribution and equidistant placement of the diagram antenna uniformity while maintaining the energy characteristics of the antenna array, such as directional coefficient, gain and energy potential.

Кроме этого, излучатели размешают на поверхности антенной решетки эквидистантно в узлах гексагональной решетки, а расстояние между излучателями увеличивают за счет их разнесения в пространстве по высоте.In addition, the emitters are placed on the surface of the antenna array equidistantly in the nodes of the hexagonal array, and the distance between the emitters is increased due to their spacing in space in height.

Одним из основных преимуществ предложенного способа является увеличение шага излучателей в решетке, особенно это требуется для активной фазированной антенной решетки (АФАР) миллиметрового диапазона волн. Эти же проблемы относятся и к совмещенным ФАР. Для решения задачи размещения элементов фидерного тракта предлагаются пространственные антенные системы с двойной гексагональной структурой, волнообразные, гребенчатые и др. Наиболее простая форма получается при изгибе прямоугольного или круглого раскрыва. При этом УБЛ снижается в плоскости изгиба и его значение зависит от величины изгиба. Для уменьшения УБЛ в другой плоскости необходимо использовать пирамидальное размещение излучателей в квадратном раскрыве и любое азимутально-симметричное в круглом раскрыве. Расчет характеристик направленности пространственной антенной решетки осуществляется с помощью известных из теории антенн формул. Если излучатели антенной решетки излучают поля с линейной поляризацией, то ДН решетки может быть записана в виде:One of the main advantages of the proposed method is to increase the pitch of the emitters in the array, this is especially required for the active phased array antenna (AFAR) of the millimeter wave range. The same problems apply to combined HEADLIGHTS. To solve the problem of placing the elements of the feeder path, spatial antenna systems with a double hexagonal structure, wave-like, comb-like, etc. are offered. The simplest form is obtained by bending a rectangular or round aperture. In this case, the UBL decreases in the plane of the bend and its value depends on the magnitude of the bend. To reduce the SLL in another plane, it is necessary to use a pyramidal arrangement of emitters in a square aperture and any azimuthally symmetric in a round aperture. The directional characteristics of the spatial antenna array are calculated using formulas known from the theory of antennas. If the radiators of the antenna array emit fields with linear polarization, then the array of the array can be written in the form:

$F (θ, φ) = \sum_{p = 1}^{M} \sum_{q = 1}^{N} A_{p, q} e^{j k [x_{p, q} \sin θ \cos φ + y_{p, q} \sin θ \sin φ + z_{p, q} \sin θ]}$

,

F (θ, φ) = \sum_{p = one}^{M} \sum_{q = one}^{N} A_{p, q} e^{j k [x_{p, q} \sin θ \cos φ + y_{p, q} \sin θ \sin φ + z_{p, q} \sin θ]}

,

где M, N - число элементов строки и столбца решетки соответственно, A_p,q - амплитуда тока возбуждения элемента (т.к. во всех примерах расчета рассматривается равномерное амплитудное распределение, то A_p,q=1), θ, ϕ - пространственные координаты сферической системы.where M, N are the number of elements of the row and column of the lattice, respectively, A _{p, q} is the amplitude of the excitation current of the element (since the uniform amplitude distribution is considered in all calculation examples, then A _{p, q} = 1), θ, ϕ are spatial coordinates of the spherical system.

Ранее пространственные антенные решетки не находили широкого практического применения из-за сложности распределительных систем. В настоящее время существует целевая программа по созданию цифровой элементной базы, на которой строится распределительная система. При этом структура распределительной системы сильно упрощается. Распределительная система может быть реализована как на современной цифровой, так и на аналоговой элементной базе.Previously, spatial antenna arrays did not find wide practical application due to the complexity of distribution systems. Currently, there is a targeted program to create a digital element base on which the distribution system is built. Moreover, the structure of the distribution system is greatly simplified. The distribution system can be implemented both on a modern digital and on an analog element base.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1а, б представлены формы пространственного размещения элементов, реализующие данный способ, обеспечивающие по предварительным оценкам характеристик направленности структур возможность снижения УБЛ при увеличении шага в решетке за счет пространственного размещения элементов, на фиг.2 показан изгиб излучающего антенного полотна: 1 - на 30°, 2 - на 45°, 3 - на 60°, на фиг.2 приведены три варианта изгиба апертуры ДН на 30°, 45° и 60°, на фиг.3 и 4 - то же, для выпуклых и вогнутых апертур ДН, на фиг.3: 1 - ДН плоской антенной решетки с гексагональной структурой, 2 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 30°, 3 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 45°, 4 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 60°, на фиг.4: 1 - ДН плоской антенной решетки с гексагональной структурой, 2 - ДН вогнутой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 30°, 3 - ДН вогнутой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 45°, 4 - ДН вогнутой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой на 60°, на фиг.5 показана форма косинусоидального изгиба поверхности антенны, на фиг.6 представлены ДН: 1 - ДН плоской антенной решетки, 2 - ДН выпуклой антенной решетки с гексагональной структурой, изогнутой по косинусоидальному закону.The invention is illustrated by drawings, on which figa, b presents the spatial arrangement of the elements that implement this method, providing preliminary estimates of the directivity of structures to reduce UBL with increasing pitch in the lattice due to the spatial arrangement of the elements, figure 2 shows the bend radiating antenna sheet: 1 - at 30 °, 2 - at 45 °, 3 - at 60 °, figure 2 shows three options for bending the aperture of the beam at 30 °, 45 ° and 60 °, in figures 3 and 4 - same, for convex and concave apertures of the DN, in figure 3: 1 - DN of a planar antenna array with a hexagonal structure, 2 - DN of a convex antenna array with a hexagonal structure bent at 30 °, 3 - DN of a convex antenna array with a hexagonal structure bent by 45 °, 4 - DN of a convex antenna array with a hexagonal structure, bent by 60 °, in Fig. 4: 1 - the bottom of a flat antenna array with a hexagonal structure, 2 - the bottom of a concave antenna array with a hexagonal structure, bent 30 °, 3 - the bottom of a concave antenna array with a hexagonal structure bent by 45 °, 4 - DN concave antenna array and with a hexagonal structure bent at 60 °, Fig. 5 shows the shape of the cosine curve of the surface of the antenna, Fig. 6 shows the DNs: 1 - DNs of a flat antenna array, 2 - DNs of a convex antenna array with a hexagonal structure curved according to a cosine law.

Для снижения УБЛ могут быть применены и другие геометрические формы размещения элементов в пространстве, например пирамидальная, параболическая, сферическая и т.д. Причем снижение УБЛ зависит от функции размещения элементов в пространственной гексагональной антенной решетке.To reduce UBL, other geometrical forms of placement of elements in space can be applied, for example, pyramidal, parabolic, spherical, etc. Moreover, the decrease in SLL depends on the function of placing elements in a spatial hexagonal antenna array.

Предложенный способ осуществляют в процессе включения приемо-передающей аппаратуры в традиционном штатном режиме с возможностью обеспечения работы в стационарных и передвижных условиях.The proposed method is carried out in the process of turning on the transceiver equipment in the traditional standard mode with the ability to provide work in stationary and mobile conditions.

Как показывают расчетные эксперименты, характеристики направленности антенной решетки с двойной пространственной гексагональностью зависят от закона размещения элементов в пространстве. Поэтому дальнейшее уменьшение боковых лепестков получается путем синтеза пространственного распределения элементов, а также применения методов оптимизации.As computational experiments show, the directivity characteristics of an antenna array with double spatial hexagonality depend on the law of placement of elements in space. Therefore, a further decrease in the side lobes is obtained by synthesizing the spatial distribution of the elements, as well as applying optimization methods.

Существенным отличием заявляемого способа по сравнению с прототипом является то, что для снижения УБЛ не применяется спадающее амплитудное распределение и неэквидистантное размещение элементов, приводящие к уменьшению усиления антенны.A significant difference of the proposed method compared to the prototype is that to reduce the UBL does not apply a decreasing amplitude distribution and nonequidistant placement of elements, leading to a decrease in antenna gain.

Таким образом, заявляемый способ позволяет уменьшить УБЛ, и в отличие от прототипа, позволяет реализовать технические решения для антенных решеток с высоким энергетическим потенциалом и усилением.Thus, the claimed method allows to reduce the UBL, and unlike the prototype, it allows to implement technical solutions for antenna arrays with high energy potential and amplification.

Предложенный способ может быть реализован на современной цифровой элементной базе с применением новых методов технологий изготовления антенного полотна, например технологии гальванопластики.The proposed method can be implemented on a modern digital element base using new methods of manufacturing technologies for antenna fabric, such as electroplating technology.

Снижение УБЛ позволяет в бортовых радиолокационных системах повысить точность измерений координат объектов и помехозащищенность.Reducing the SLL allows on-board radar systems to increase the accuracy of measurements of the coordinates of objects and noise immunity.

Источники информацииInformation sources

1. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности. М.-Л., Энергоиздат, 1963.1. Zelkin EG Construction of a radiating system according to a given radiation pattern. M.-L., Energy Publishing House, 1963.

2. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем. М., «Сов. радио», 1974.2. Bahrakh L.D., Kremenetsky S.D. Synthesis of emitting systems. M., "Owls. the radio, 1974.

3. Анализ и синтез антенных решеток / Чаплин А.Ф. - Львов: Вища шк. 1987.3. Analysis and synthesis of antenna arrays / Chaplin AF - Lviv: Vishka school. 1987.

4. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. Антенны. - М.: Энергия, 1975.4. G.T. Markov, D.M. Sazonov. Antennas - M .: Energy, 1975.

5. Д.Д. Габриэльян, С.Е. Мищенко. Метод амплитудно-фазового синтеза антенной решетки произвольной геометрии. - Радиотехника и электроника, 1995, Т.40, №7.5. D.D. Gabrielyan, S.E. Mishchenko. The method of amplitude-phase synthesis of an antenna array of arbitrary geometry. - Radio engineering and electronics, 1995, T. 40, No. 7.

6. С.Е. Мищенко, С.В. Землянский. Амплитудно-фазовый синтез антенной решетки с произвольным размещением излучателей по заданной векторной диаграмме направленности. Материалы всероссийской конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ», Таганрог, июнь 18-23. 2001 г.6. S.E. Mishchenko, S.V. Zemlyansky. Amplitude-phase synthesis of an antenna array with arbitrary placement of emitters according to a given vector radiation pattern. Materials of the All-Russian Conference "Emission and Emission of Electromagnetic Emission", Taganrog, June 18-23. 2001 year

7. P. Knight. "Synthesizing The Radiation Pattern of Ring Aerial", Industrial Electron., 1963, 1, No.10, 538-543 p.7. P. Knight. "Synthesizing The Radiation Pattern of Ring Aerial", Industrial Electron., 1963, 1, No.10, 538-543 p.

8. M. Vicente-Lozano, F. Ares-Pena, and E. Moreno. "Pencil-Beam Pattern Synthesis with a Uniformly Exited Multi-Ring Planar Antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.42, No.6, December 2000.8. M. Vicente-Lozano, F. Ares-Pena, and E. Moreno. "Pencil-Beam Pattern Synthesis with a Uniformly Exited Multi-Ring Planar Antenna," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 42, No.6, December 2000.

9. В.И. Дзюба, Л.В. Осипов. Оптимизация размещения элементов антенной системы при центрально-симметричном построении. // Антенны: Сб. статей. Вып.37. /Под ред. А.А. Леманского. - М.: Радио и связь, 1990.9. V.I. Dzyuba, L.V. Osipov. Optimization of the placement of the elements of the antenna system with a centrally symmetrical construction. // Antennas: Sat articles. Issue 37. / Ed. A.A. Lemansky. - M .: Radio and communications, 1990.

10. Е.Г. Зелкин, В.Ф. Кравченко, В.И. Гусевский. Конструктивные методы аппроксимации в теории антенн. - М: Сайнс-Пресс, 2005 г., 512 с.10. E.G. Zelkin, V.F. Kravchenko, V.I. Gusevsky. Constructive approximation methods in antenna theory. - M: Saynes-Press, 2005, 512 p.

11. Abdul-Aziz A. Abdul-Aziz, Hanna A. Kamala. Sector synthesis of antenna array using genetic algorithm. // Journal of theoretical and applied information technology, 2005. - pp.160-169.11. Abdul-Aziz A. Abdul-Aziz, Hanna A. Kamala. Sector synthesis of antenna array using genetic algorithm. // Journal of theoretical and applied information technology, 2005 .-- pp. 160-169.

Claims

1. The way to reduce the level of lateral radiation of the antenna, which consists in the fact that they carry out the specified placement of the emitters of the antenna array, form radiation patterns with a low level of the side lobes and form the antenna array, characterized in that the predetermined placement and formation of the emitters of the antenna array is carried out in space in geometric the shape of the array with the ability to provide control of their amplitude-phase distribution and equidistant placement of the antenna radiation pattern when stored and energy characteristics of the antenna array.

2. The method according to claim 1, characterized in that the emitters are placed on the surface of the antenna array equidistantly in the nodes of the hexagonal array.

3. The method according to claim 1, characterized in that the distance between the emitters is increased due to their spacing in space in height.