антенны могут рассчитываться, как при постоянной частоте, а временная зависимость может вводиться в окончательные формулы.

При быстром управлении такой упрощенный подход неправилен; в этом случае необходимо разложить в интеграл или ряд Фурье (по времени) заданное распределение возбуждающих источников (например, модулированные по амплитуде, фазе или частоте токи в излучателях, напряжение на клеммах антенны и т. п.), затем для каждой гармонической составляющей найти обычным образом все интересующие нас характеристики (например, поле в дальней зоне) и просуммировать их по частоте. При этом, очевидно, вместо обычных «статических» необходимо вводить динамические характеристики - мгновенную диаграмму направленности (мгновенную картину распределения поля излучения антенны по углам) и динамическую диаграмму направленности (изменение во времени сигнала, излучаемого антенной в фиксированном направлении). Графики обеих диаграмм, построенные как функции своих аргументов - угла и времени, совпадают лишь в том случае, если мгновенная диаграмма при качании луча не изменяет своей формы.

Возрастание скорости перемещения луча при сканировании ограничивается, в обычных антеннах, происходящим расширением спектра излучаемых частот и связанным с ним искажением диаграммы направленности. Эти искажения становятся заметными, когда период изменения управляющего параметра становится соизмеримым со временем распространения сигнала вдоль антенны. Мгновенная диаграмма направленности, как отмечено выше, может быть пред-стаатена в виде суперпозиции «парциальных» диаграмм, соответствующих различным гармоникам излучаемого спектра. При мед-лепном изменении параметров эти парциальные диаграммы направленности практически сливаются в один качающийся лепесток. При большой скорости изменения они расходятся так, что мгновенная диаграмма направленности рассыпается и представляет собой систему лепестков, заполняющих весь сектор обзора (наподобие веера).

Так. например, если на вход линейной решетки, состоящей из М ненаправленных излучателей с расстоянием между ними по воздуху, равным d, и по линии передачи - I, подаются частотно-модулированные колебания вида

ехр {i(i>ot -Ь г? sin Qot),

то парциальные диаграммы, соответствующие частотам о)„= щ + -Ь nQo, п = 0,+ 1, + 2,..., будут иметь вид

sin -LIL

f (ву = Л(Р) -ехр i tf„; tf„= knd[ sin6 - ,

айалогиЧный диаграмме обычной решетки с направлениями главных максимумов

(зшвгл)™„= + Т Р = 0,-1,-2.... („=).

Если йо достаточно велико, то главные лепестки парциальных диаграмм, очевидно, не перекрываются, и мгновенная диаграмма решетки рассыпается.

Однако может быть решена задача синтезирования распределения источников в раскрыве антенны, обеспечивающего заданное сколь угодно быстрое неискаженное качание луча. При этом возникают вопросы, подобные рассматриваемым при синтезе обычных антенн.

Расширение спектра излучаемого сигнала в динамических антеннах дает возможность использовать различные спектральные составляющие для улучшения информативных способностей антенн. Можно выполнить антенну таким образом, чтобы ее парциальные диаграммы на различных частотах отличались формой, ориентацией и т. п.

Если выделять гармоники спектра сигнала при помощи частотных фильтров, то можно получить такой же эффект, как при наличии соответствующего числа отдельных антенн. Например, многолепестковая диаграмма, получающаяся при сверхбыстром качании, может быть использована для мгновенной пеленгации и т. п. При помощи временных изменений параметров антенны можно также улучшить диаграмму направленности на несущей частоте. Так, при периодическом изменении эффективной длины антенны (например, за счет включения и выключения излучателей) по закону

f 1, 0<t<TI2,

/ = /oii+Pf(0],/(o- i T/2<:t<:T

диаграмма направленности на несущей частоте

g(e) = -cos(H„Psine)

соответствует антенне, элементы которой обладают направленностью, соответствующей множителю cos (fe/oPsinG). Это приводит к уменьшению уровня боковых лепестков.

С целью практического внедрения этих методов необходимо провести более глубокий анализ подобных атенн, изучить различные варианты их построения, обращая особое внимание на энергетику и учет шумов.

6. Антенны с обработкой сигнала;

логический синтез диаграмм направленности; синтезированные антенны

При приеме используется обычно далеко не вся информация, содержащаяся в падающей на антенну волне, поскольку сигналы, поступающие в отдельные элементы антенны (излучатели решетки или участки раскрыва антенны оптического или акустического типа), в дальнейшем просто складываются в одном общем канале. Это может оказаться достаточным для измерения лишь отдельных параметров приходящей волны.

В антенных решетках, вообще говоря, принципиально возможна раздельная обработка сигналов, поступающих от отдельных вибраторов, представляющих собой Л (по числу вибраторов) выборок нз пространственного распределения приходящей волны. Наиболее полную информацию можно получить, обрабатывая эти выборки.

В ряде случаев в зависимости от назначения антенны, т. е. от того, какие параметры приходящей волны необходимо измерять, применяются различные методы обработки сигналов, поступающих в антенну.

Рассмотрим сначала методы линейной обработки.

С целью использования информации, содержащейся в сигналах, приходящих к антенне с различных направлений, применяются многоканальные (многолучевые) антенные решетки. В этих антеннах возбуждение излучателей осуществляется при помощи так называемой «диаграммообразующей» схемы, которая представляет собой многополюсник с М входами и N выходами (в общем случае М Ф N,

число излучателей). При возбуждении антенны с отдельных входов в излучателях решетки реализуются различные распределения амплитд и фаз, соответствующие определенным парциальным диаграммам, которые могут отличаться между собой формой, положением в пространстве, фазовой диаграммой или поляризацией. Существенным при этом является возможность формирования независимых диаграмм, обладающих КУ, соответствующим всему раскрыву антенны. Максимальное число таких независимых парциальных диаграмм, реализуемых в решетке, равно N - числу излучателей. В настоящее время известен ряд практических схем линейных многолучевых решеток и предложены критерии для оценки их характеристик.

Актуальными являются задачи построения общей теории многолучевых антенн, изыскание путей улучшения их параметров (более высокие уровни пересечения соседних лучей при сохранении их независимости), исследование антенн с криволинейным раскрывом, а также учет взаимодействия излучателей при построении диаграм-мообразующих схем. Для использования информации, содержащейся в различных частотных составляющих спектра приходящих сиг-

налов, можно применять схемы построения решеток, аналогичные -многолучевым. Для этого выходы отдельных излучателей должны разбиваться на ряд каналов, в которые вводятся частотно-избирательные фильтры.

В части общей теории подобных антенн должна быть поставлена задача построения оптимальных диаграммообразующих схем и оптимальной фильтрации (обработки) с учетом шумов применительно к измерениям отдельных параметров падающих на антенну волн.

Кроме антенн с линейной обработкой сигнала, применяют также (приемные) антенны с корреляционной обработкой, в которых сигналы, поступающие с отдельных излучателей, обрабатываются нелинейно. Один из применяемых способов нелинейной обработки- перемножение сигналов двух излучателей с последующим усреднением, т. е. нахождение корреляционной функции сигналов. Это дает возможность сузить диаграмму направленности (т. е. повысить .разрешающую способность). В многоэлементных решетках такой способ позволяет заменить операцию сложения многократным попарным умножением с соответствующим усреднением. При этом возможны различные схемы построения таких систем в зависимости от способа комбинирования излучателей, сигналы которых попарно перемножаются.

Если расстояния между излучателями значительны, то в подобных системах возникают большие боковые лепестки, которые можно устранить методами логического синтеза (см. ниже).

На практике применяются и более сложные способы обработки, в частности, сочетание перемножения с обычным сложением (если в качестве излучателей, сигналы которых перемножаются, используются решетки, построенные обычным образом). Все эти способы дают возможность значительно уменьшить число элементов, требуемых для получения заданной диаграммы. Например, известный крест Миллса, образованный двумя взаимно перпендикулярными линейными решетками по N элементов в каждой, имеет в главных плоскостях такие же диаграммы направленности, как и квадратная решетка из Л элементов. Далее, двухэлементная «корреляционная антенна», образованная обычной решеткой и двухэлементным интерферометром той же длины, будет иметь такую же диаграмму направленности, как и равномерная решетка учетверенной длины. При этом многочисленные лепестки интерферометра при перемножении уничтожаются диаграммой линейной решетки.

В настоящее время разрабатьшаются методы формирования диаграмм направленности при помощи операций вычитания, сравнения, выбора ИТ. п., которые могут быть сопоставлены с простыми логическими действиями «да ~ нет», «или», «и», «больше - меньше». Применение этих операций (называемых «логическим синтезом») позволяет срезать боковые лепестки и дифракционные максимумы высших порядков, а также создавать диаграммы специальной формы и т. п. Для этой цели применяется вспомогательная переключающая

2 Заказ М 1461

или управляющая антенна, сигнал на выходе которой сравнивается с сигналом, принятым основной антенной. Срезание боковых лепестков, например, осуществляется запиранием основного приемного канала для всех сигналов ниже установленного (при помощи вспомогательной антенны) уровня; диаграмма специальной формы может быть образована из частей диаграмм различных антенн при помощи операции выбора, осуществляемой переключающей антенной.

Следует иметь в виду, что при нелинейных способах обработки не достигается выигрыша в коэффициенте усиления, несмотря на сужение диаграммы; больше того, он будет снижаться из-за потерь при различных операциях обработки. В силу этого такие способы лучше всего пригодны в радиоастрономии, где, к тому же, можно применять усреднение и накопление сигналов, поскольку излучаемые в радиоастрономии цели перемещаются весьма медленно и излучают непрерывно.

Недостатками нелинейных методов обработки являются: а) подавление слабых сигналов сильными; б) появление ложных целей, если число реальных целей превышает единицу.

Анализ антенн с обработкой сигнала должен проводиться с учетом шумов как внутренних, т. е. присущих антенне и фидерному тракту, так и внешних. Учет внутренних шумов дает возможность оценить чувствительность системы и выбрать оптимальную схему ее построения (в том числе места включения усилителей сигнала). При учете внешних шумов источники шума и полезного сигнала в общем случае следует считать протяженными, причем как шумы, так и сигналы, приходящие с различных направлений, могут быть в различной степени коррелированными между собой.

Расчеты дают возможность по заданным характеристикам сигнала и шума (угловое распределение, частотный спектр, угловые корреляционные функции) найти оптимальные амплитудно-фазовые характеристики приемных каналов. Так, в простейшем случае равномерно распределенных по углам некогерентных шумов оптимальной будет обычная равномерная решетка с максимумом в направлении сигнала.

Представляют большой интерес дальнейшие исследования в этой области, которые позволили бы найти оптимальные методы обработки сигналов, поступающих от отдельных излучателей, для различных пространственно-временных распределений шумов и сигналов.

Для целей радиолокации и радионавигации перспективны антенны с так называемым «синтезированным» раскрывом, представляющие собой один из вариантов антенны с обработкой сигнала. Используя сравнительно небольшую антенну, размещенную по борту прямолинейно летящего самолета, и обрабатывая сигналы на ее выходе во время полета методом когерентного накопления, можно получить эффект, соответствующий раскрыву длиной порядка сотен и более метров. Эту антенну можно рассматривать как антенну

"С песледовательным съемом информации с раскрыва, в отличие от •щ/чных антенн, где применяется метод одновременного съема. Однако если при этом ограничиться только запоминанием после-(овательно снимаемых сигналов с последующим сложением, то значительное увеличение эффективного раскрыва будет нецелесообразно, поскольку обычные антенны (т. е. фокусирующие на бесконеч--ность) разрешают цели разнесенные не меньше, чем на размер антенны. Это ограничение становится существенным при расположении целей в промежуточной и ближней зонах, т. е. при больших размерах эффективного раскрыва. Повысить линейную разрешающую хшособность антенны можно путем введения, при запоминании сигналов, дополнительного фазового сдвига, обусловленного конеч-нсхггью расстояния до цели и обеспечивающего фокусирование в точку, находящуюся в районе расположения цели (т. е. в зоне Френеля по отношению] к эффективному раскрыву). При этом ли-нное разрешение может быть сделано равным диаметру фокального пятна.

С аналогичной задачей фокусировки в точку, расположенную в ближней или промежуточной зоне, приходится иметь дело при измерениях параметров очень больших антенн, у которых граница дальней зоны находится столь далеко, что для измерения диаграммы направленности обычным способом приходится использовать внеземные источники. Это, безусловно, приводит к усложнению процесса измерения и в ряде случаев невозможно из-за больших угловых размеров таких источников. Взамен этого можно применить указанный выше прием фокусировки антенны в промежуточную зону. Распределение поля в окрестности фокального пятна при этом будет описывать диаграмму направленности нормально сфокусированной антенны. Действительно, если декартовы координаты точки в линейном раскрыве антенны х = О, у, а точки наблюдения х - = d, у, то для поля антенны имеем приближенно

Е{у)-2\J {у) ехр [ik Vd +{у- yf] dy ~ - ехр \jiy)exp{i

ik d +

exp[ - iy

Таким образом, при J (у) J (у) ехр (- i

мость поля от аргумента- в плоскости х = d будет такая же, как

и зависимость диаграмм направленности первоначального тока J {у) от угловой координаты cos 6 в дальней зоне.

7. Разработка вариационных методов расчета параметров антенн

Прямые методы вариационного исчисления широко применяются при решении различных задач математической физики. Заменяя дифференциальные или интегральные уравнения эквивалентным

зависи-