Публикации2

Возможности антенной поляриметрии мобильного измерительного комплекса

Коновалов А.Г., Чесноков О.Н.

ЗАО «СКАРД-Электроникс»

ул.Карла Маркса, д.70-Б, г.Курск – 305021, Россия


Аннотация – Приведены результаты анализа потенциальных возможностей антенной поляриметрии электромагнитных излучений на СВЧ мобильного измерительного комплекса.


I. Введение

В процессе создания радиоэлектронных комплексов и на всех этапах их жизненного цикла измерения параметров электромагнитного излучения (ЭМИ) являются неотъемлемой частью выполнения пунктов программ испытаний. К числу измеряемых и контролируемых параметров относятся энергетические и поляризационные характеристики ЭМИ. В существующих в настоящее время измерительных комплексах ПЭК-1А и ПЭК-3 задача антенной поляриметрии на СВЧ решается путем вращения линейно-поляризованной измерительной антенны вокруг направления прихода электромагнитной волны в ортогональной к этому направлению плоскости. По данным измерения определяются коэффициент эллиптичности и угол наклона большой полуоси поляризационного эллипса. Полученная при этом оценка поляризационной характеристики ЭМИ является не полной, не дающей возможность определения направления вращения вектора поляризации без дополнительных амплитудно-фазовых измерений ортогональных компонент электромагнитного поля.

 

II. Основная часть

С целью расширения потенциальных возможностей антенной поляриметрии в измерительном комплексе использована известная коммутационная схема рис.1, позволяющая путем оснащения биортортогональных поляризованных антенн 90°-гибридом (направленным ответвителем), 180°-гибридом (Т-мостом) реализовать антенну с линейной вертикальной, горизонтальной, наклонной под углами ±45° и круговой поляризацией левого и правого направления вращения вектора поля. Измеренные при этих видах поляризации измерительной антенны интенсивности поля ЭМИ позволяют без вращения антенны и дополнительных амплитудно-фазовых измерений ортогонально поляризованных компонент электромагнитного поля (ЭМП) получить полный набор параметров Стокса для плоскости ХУ системы координат X, Y, Z при распространении электромагнитной волны вдоль оси Z.

Полученный в результате набор параметров Стокса позволяет в полном объеме с метрологической точностью определить поляризационные характеристики ЭМИ.

Рис. 1 –  Коммутационная схема формирования поляризации антенны

Fig.1 – The switching scheme of formation of polarization of the aerial

 

 

Следующий этап работы измерительного комплекса включает решение задачи поляризационного согласования измерительной антенны, являющееся неотъемлемой частью измерения энергетических характеристик ЭМИ, определяющее не только достоверность измерения энергетической величины, но и реализуемую чувствительность приемной системы. В этой связи проведена сравнительная оценка поляризационной эффективности приема сигнала, реализуемой биортогональной антенной с коммутационной схемой рис. 1 и линейно поляризованной антенной с возможностью вращения вокруг направления прихода электромагнитной волны. Рассмотрение проводилось для случая приема эллиптически поляризованного сигнала с произвольным значением коэффициента эллиптичности 0≤ r ≤1.

Расчетные значения потерь мощности эллиптически поляризованного сигнала в зависимости от коэффициента эллиптичности приведены на рис. 2, где кривая 1 соответствует приему сигнала на линейно поляризованную антенну, а кривая 2 – на биортогонально поляризованную с коммутационной схемой. Анализ их показывает, что при приеме эллиптически поляризованных сигналов с малыми значениями коэффициента эллиптичности (0 ≤ r ≤0,4) поляризационная настройка путем вращения линейно поляризованной антенны вокруг направления прихода электромагнитной волны обладает несколько большей эффективностью. При этом максимальный выигрыш в мощности сигнала достигает 0,688 дБ при r = 0. Начиная со значения коэффициента эллиптичности r > 0,4, более эффективна биортогональная антенна со схемой коммутации. При этом выигрыш в мощности сигнала возрастает с ростом r и достигает 3 дБ.

 

Рис. 2 – Потери мощности сигнала для двух видов

поляризационной настройки

Fig.2 – Losses of power of a signal for two kinds of polarizing adjustment

 

Заметим, что по данным антенной поляриметрии расчетные значения ΔР следует вводить в качестве поправки для повышения достоверности измерения плотности потока энергии ЭМИ.

Проведенная оценка эффективности поляризационной настройки справедлива при работе в отсутствие помех.

В общем случае работа измерительного комплекса ведется в условиях частично поляризованных помех (в частности, побочных излучений, поляризация которых может существенно отличаться от поляризации основного излучения и изменяться по диапазону частот контроля, особенно при многомодовом распространении побочных колебаний в трактах РЭС), что существенно усложняет процедуру оценки поляризационной эффективности. Поэтому для упрощения ее воспользуемся сферой Пуанкаре рис. 3, каждой точке которой, как известно, соответствуют определенные параметры эллипсов поляризации сигнала (С), помехи (П) и антенны (А), а различие между поляризациями количественно характеризуется угловым разносом изображающих точек (δ). Частично поляризованное поле при этом удобно представить в виде двух компонент – частично поляризованной, не зависящей от поляризации приемной антенны, и полностью поляризованной, доля мощности которой в общей мощности поля падающей волны оценивается коэффициентом mc(n) ≤ 1.

 

Рис. 3 – Сфера Пуанкаре.

А (А1) – приемная антенна; С – сигнал; П – Помеха

Fig.3 – Poincare’s sphere

А (А1) –reception aerial; С – signal; Пnoise

При этом наведенная на выходе приемной антенны мощность сигнала или помехи определяется выражением [1]:

QUOTE 14Рвых СЃn=SэфРс(n)mc(n)cos2ОёAC(n)2+121-mc(n)’>  ,(1)

где          Sэф – эффективная площадь антенны;

Рс(n) – плотность потока мощности сигнала (помехи);

mc(n) – степень поляризации сигнала (помехи);

QАС(n) – центральный угол между точками на сфере Пуанкаре (рис. 3) соответствующий поляризации сигнала (помехи) и поляризации приемной антенны.

В большинстве случаях задача поляризационной настройки сводится к максимизации мощности сигнала (QАС→0) или минимизации мощности помехи (QАС→180°) на выходе приемной антенны.

Из выражения (1) следует, что с ростом степени поляризации эффективность поляризационной настройки антенны растет, в то время как при mc(n)→0 мощность Рвых не зависит от выбора поляризации приемной антенны.

Эти результаты справедливы для варианта так называемой согласованной настройки, при которой параметры эллипсов поляризации сигнала и приемной антенны совпадают (QАС = 0) и тем самым обеспечивается максимальная мощность сигнала в нагрузке приемной антенны. Однако, в условиях помех согласованная настройка, обеспечивая максимальную мощность в нагрузке приемной антенны, не гарантирует максимального отношения сигнала к помехе (N=Pc/Pn). В этой связи оценим потенциальные возможности оптимальной поляризационной настройки, при которой поляризация приемной антенны выбирается оптимальной с точки зрения приема сигнала и подавления помехи (т.е. занимает некоторое «промежуточное положение» между поляризациями сигнала и помехи).

В соответствии с (1) выражение для N можно записать в виде

,  QUOTE 14N=SэфРс∙cos2ОёAC2SэфРn0,51-mn+mncos2ОёAРџ2′>  (2)

После несложных преобразований выражение (2) приводится к виду

 QUOTE 14N=Р СЃР nв€™1+cosОёРђРЎ1+mncosОёРђРџ’>  , (3)

Так как Рс и Рn от поляризации приемной антенны не зависят, то рассмотрим

 QUOTE 14N=1+cosОёРђРЎ1+mncosОёРђРџ’>  , (4)

При оптимальной поляризационной настройке изображение оптимальной поляризации приемной антенны на сфере Пуанкаре находится на большой окружности, проходящей через точки С и П (например точка А1 на рис. 3), соответствующие изображениям сигнала и помехи. При этом θАП = θАС +δ, где δ – угловое расстояние между точками С и П. Следовательно, (4) можно записать в виде

 QUOTE 14N=1+cosОёРђРЎ1+mncosОёРђРЎ+Оґ’>  , (5)

Оптимальное значение QАСопт можно определить по обычному правилу нахождения экстремума функции

QUOTE 14dNdQAC=mnв€™sinОґ+mncosОґ-1sinQAC-mnв€™sinОґcosQAC1+mncosQAРџ2=0′>  , (6)

откуда

QUOTE 14QACРѕРїС‚=2arcctg1-mncosОґmn sinОґ’>  , (7)

Расчетные значения QАСопт = f(δ, mn) приведены на рис. 4. Анализ их показывает, что выбор изображающей точки оптимальной поляризации (QАСопт) на сфере Пуанкаре существенно зависит от степени поляризации помехи. При этом при 0 ≤ mn ≤ 0,3 значение QАСопт практически не зависит от δ.

 

Рис.4 – Расчетные значения θАСопт=f(δ, mn)

Fig.4 – Settlement values θАСопт=f(δ, mn)

Подстановка (7) в (5) дает выражение для определения отношения сигнал/помеха (ОСП), обусловленного оптимальной поляризационной настройкой, а выигрыш, обеспечиваемый выбором оптимальной поляризации приемной антенны по сравнению с согласованной поляризацией, можно оценить отношением

QUOTE 14Рњ=NN0=1+mccosОёРђРЎ РѕРїС‚.1+mncosОёРђРЎ РѕРїС‚.+Оґв€™1+mncosОґ1+mc’>  , (8)

где          N0 – значение N при согласовании антенны с сигналом (θАС = 0).

 

Рис. 5 – Выигрыш в ОСП М = f(δ, mn) при оптимальной поляризации антенны

Fig.5 – Prize at optimum polarization of the aerial

Из рассмотрения рис. 5, где приведены графики М = f(mn, δ), рассчитанные по (8), следует, что, чем больше mn, тем больший выигрыш достигается при оптимизации поляризации приемной антенны.

 

III. Заключение

Использование в измерительных комплексах биортогонально поляризованных антенн в сочетании с 90° и 180° гибридами обеспечивает возможность в полном объеме определить поляризационные характеристики ЭМИ без дополнительных амплитудно-фазовых измерений и вращения антенны.

Согласование поляризации приемной антенны с поляризационными параметрами сигнала в условиях частично поляризованных помех обеспечивает максимизацию мощности сигнала в нагрузке, но не гарантирует получения максимума отношения мощности сигнала к помехе.

При частично поляризованных помехах наибольшей эффективностью, с точки зрения отношения сигнал/помеха, обладают антенны с оптимальной поляризационной настройкой.

Эффективность оптимальной поляризационной настройки зависит от степени поляризации помехи, выигрыш тем больше, чем выше степень поляризации помехи.

 

IV. Список литературы

[1] Методы измерения характеристик антенн СВЧ/ под ред. Н. М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985.

 

Скачать доклад

Новости

Уважаемые партнеры и клиенты!

Если вам необходим наш каталог в печатном или электронном виде, пожалуйста обратитесь в отдел маркетинга. Данные материалы будут предоставлены вам в кратчайшие сроки.

info@skard.ru