ДАТЧИК НАПРАВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Предлагается устройство датчика направления вращения плоскости поляризации на базе крестообразного излучателя, расположенного над плоской идеально проводящей подстилающей поверхностью, в котором подстилающая поверхность использована как составная часть устройства излучателя. Приводятся результаты синтеза направленных и поляризационных характеристик крестообразного излучателя, расположенного над плоской идеально проводящей подстилающей поверхностью, по критерию максимума коэффициента направленного действия при наличии ограничения на поляризацию в заданном направлении. Анализируются численные результаты моделирования на ЭВМ характеристик крестообразного излучателя. Высказывается возможность применения датчика в угломерных системах, реализующих, условно названный, поляризационный метод определения угловых координат источников.

УДК 621.396.67

А.С.Осипов

кандидат технических наук доцент

ДАТЧИК НАПРАВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Предлагается устройство датчика направления вращения плоскости поляризации на базе крестообразного излучателя, расположенного над плоской идеально проводящей подстилающей поверхностью, в котором  подстилающая поверхность использована как составная часть устройства излучателя. Приводятся результаты синтеза направленных и поляризационных характеристик крестообразного излучателя, расположенного над плоской идеально проводящей подстилающей поверхностью, по критерию максимума коэффициента направленного действия при наличии ограничения на поляризацию в заданном направлении. Анализируются численные результаты моделирования на ЭВМ характеристик крестообразного излучателя. Высказывается возможность применения датчика в угломерных системах, реализующих, условно названный, поляризационный метод определения угловых координат источников.

Одним из перспективных направлений повышения качественных характеристик радиоэлектронных средств (РЭС)  является использование поляризационных свойств электромагнитного поля в процессе обработки сигналов, что позволяет, как отмечается в литературе, повысить потенциал, помехозащищенность радиоэлектронных средств, обеспечить их электромагнитную совместимость и другие важнейшие характеристики.

Принципиальная возможность использования поляризационных эффектов в радиолокации, радиосвязи, радиоэлектронной борьбе известна давно. Исследования широко проводились как  за рубежом, так и в нашей стране. Результатом этих исследований явились изданные монографии, в которых достаточно широко отражены вопросы поляризационных характеристик радиолокационных сигналов, статистическая теория поляризации радиоволн, поляризационная модуляция и другие аспекты использования поляризационных эффектов и явлений. Из отечественных работ заслуживают внимания [1, 2, 3], в которых, в частности, приведен обширный библиографический список литературы по данной тематике.

Для получения высоких качественных показателей РЭС управление поляризацией следует осуществлять как при излучении, так и при приеме сигналов. В последнем случае возникает задача оптимальной обработки принимаемых сигналов с учетом их поляризации. Эта задача решается либо в антенно-фидерной системе, либо в приемном тракте с двумя ортогонально поляризованными антеннами. При этом поляризационную обработку следует рассматривать как составную часть оптимальной пространственно-поляризационно-временной обработки принимаемых колебаний.

Основным инструментом поляризационного анализа или поляризационной селекции, а также основным средством физического управления поляризацией сигналов является антенна.

В этой связи представляет теоретический и практический интерес исследование направленных и поляризационных характеристик одиночного излучателя, который может являться элементом фазированных антенных решеток с управляемой поляризацией поля (ФАР с УПП), или элементом измерительной системы для измерения и анализа поляризации электромагнитных волн.

Воспользуемся в данной статье полученными в работах [4, 5, 6] соотношениями применительно к синтезу ФАР с УПП для решения задачи максимизации коэффициента направленного действия (к. н. д.) одиночного крестообразного излучателя антенной решетки при ограничении на поляризацию в заданном направлении.

Рассмотрим крестообразный излучатель (рис. 1), состоящий из горизонтального и вертикального элементарных вибраторов, в которых можно изменять амплитуды и фазы питающих токов.

Известно, что подстилающая поверхность, над которой расположена антенна, существенно влияет на форму диаграммы направленности и поляризационные характеристики, приводя к изрезанности главного лепестка и деполяризации излучаемого поля [4, 6].

Вместе с тем влияние подстилающей поверхности можно учесть в алгоритмах управления фазированных антенных решеток с управляемой поляризацией поля, синтезируя направленные и поляризационные характеристики антенны по выбранному критерию качества, закладывая ту или иную модель подстилающей поверхности [6].

Предлагается использовать подстилающую поверхность как составную часть устройства излучателя. Будем полагать, что подстилающая поверхность плоская идеально проводящая. Крестообразный излучатель располагается на высоте h₁ над плоской идеально проводящей поверхностью.

           Рис. 1. Крестообразный излучатель над подстилающей поверхностью

Векторная комплексная диаграмма направленности (ДН) вертикальной  решетки из N горизонтально и вертикально ориентированных относительно поверхности земли излучателей в направлении орта , с учетом плоской идеально проводящей земли (коэффициенты отражения Френеля соответственно для вертикальной R_в и горизонтальной R_г поляризаций R_в = + 1, R_г =  1), определяется выражением [4, 6]

          (1)

  ,

где ,  – амплитудно-фазовое распределение токов в горизонтально и в вертикально ориентированных относительно поверхности земли излучателей соответственно, ; k = 2π/λ – волновое число (λ – длина волны); ,  – высота подвеса первого излучателя над подстилающей поверхностью, d – шаг решетки; ,  – орты сферической системы координат.

Для N = 1 имеем:

.

При φ = 0 получаем:

,                           (2)

где ,  – токи в горизонтально и в вертикально ориентированных относительно подстилающей поверхности излучателей соответственно.

Отметим, что в соотношении (2) при θ = 0°

существует только φ-я компонента поля, обусловленная током в горизонтальном вибраторе, а при θ = π / 2

существует только θ-я компонента поля, обусловленная током в вертикальном вибраторе.

Заметим также, что при θ = π / 3 в зависимости от  высоты подвеса  излучателя над подстилающей поверхностью  (значения ) будут отсутствовать θ-я или φ-я компоненты поля. Так, при  кратных λ отсутствует φ-я компонента поля, а при , где n = 0, 1, 2,… отсутствует θ -я компонента поля.

Для получения, например, круговой поляризации поля крестообразного излучателя в направлении , необходимо, чтобы в точке наблюдения с учетом отражений от подстилающей поверхности амплитуды ортогональных компонентов поля  и  были равны и сдвиг по фазе между ними был равен π / 2, т. е. чтобы фазор поля в точке наблюдения:

                                                                                              (3)

где знаки «+» и «–» определяются направлением вращения плоскости поляризации.

В вертикальной плоскости (φ = 0) ДН  определяется только током вертикально ориентированного относительно подстилающей поверхности излучателя и фазор поля излучателя в направлении , φ = 0 при круговой поляризации определяется следующим выражением: 

                                                                  (4)

или

                               .                                            (5)

Как следует из последнего соотношения, для получения круговой поляризации поля излучателя в направлении  достаточно изменять только амплитуды токов в горизонтально и вертикально ориентированных относительно подстилающей поверхности излучателях, фазовый сдвиг π / 2 между ортогональными компонентами поля обеспечивает подстилающая поверхность [6]. При этом поляризация поля излучателя – линейная. Указанное интересное обстоятельство, заключающееся в том, что для антенны с линейной наклонной поляризацией при отражении от подстилающей поверхности поляризация становится в общем случае эллиптической отмечается также в [7].

Для получения при этом высокой направленности излучения будем максимизировать к. н. д. излучателя, решая оптимизационную задачу, рассмотренную в [6].

                                            ,                                          (6)

где  – ДН по мощности, ;  – орт, определяющий направление  на точку наблюдения.

Проведем анализ численных результатов. Исходными данными задачи оптимизации являются: N = 1, θ₀, , вид поляризации (фазор поля излучателя в направлении θ₀).

На рис. 2 – 4 представлены диаграммы направленности по мощности и поляризационные характеристики (зависимость коэффициента эллиптичности r от угла θ) излучателя для различных значений и круговой поляризации поля в направлении θ₀ (рис. 2 соответствует , θ₀ = 45°, рис. 3, 4  – , θ₀ = 45° и θ₀ = 30° соответственно).

Как видно из рис. 2, в направлении θ₀ = 45° поляризация круговая (r = –1); при данной высоте подвеса излучателя характерна изрезанность  диаграммы направленности.

Характеристики, представленные на рис. 3, 4 для , также свидетельствуют о том, что в направлении θ₀ = 45° и θ₀ = 30° поле круговой поляризации. Из рис. 2, 3, 4 следует, что на поляризационных характеристиках имеются участки, где знак коэффициента эллиптичности r изменяется, что свидетельствует об изменении направления вращения плоскости поляризации и возможности использования излучателя в качестве датчика направления вращения плоскости поляризации. Изменение знака происходит при θ = π / 3. Поляризация меняется от

   Рис. 2. Диаграмма направленности и поляризационная характеристика    ,θ₀ =45°

Рис. 3. Диаграмма направленности и поляризационная характеристика ,θ₀ = 45°

Рис. 4. Диаграмма направленности и поляризационная характеристика , θ₀ = 30°

горизонтальной (вертикальной) в направлении θ = π / 3 (в зависимости от ) до круговой левого или правого вращения.

Как видно из рис. 3  направление вращения плоскости поляризации сохраняется на участке 45°-60° и 60°-70°. При этом на участке 45°-70° уровень диаграммы направленности по мощности изменяется незначительно (примерно на 1дБ).

Величину углового сектора можно изменять, меняя  θ₀. На рис. 4 он составляет 30°-77°.

Антенны, имеющие поляризационные характеристики подобные приведенным на рис. 3, 4, (где изменяется величина и знак коэффициента эллиптичности в зависимости от угла) могут найти применение в угломерных системах, реализующих, условно назовем, поляризационный метод определения угловых координат источников. Последние могут являться прототипом известным системам [8]. Действительно, как следует из поляризационной характеристики, представленной, например, на рис.3, при «работе» с сигналом круговой поляризации левого или правого направления вращения при θ = 60° поляризационный коэффициент приема, учитывающий поляризационные отличия антенны и поля падающей волны [1,4], равен 0,5, а при θ₀ = 45° и θ₀ = 70° поляризационный коэффициент приема равен 0 или 1 в зависимости от направления вращения. На участках 45°-60° и 60°-70° поляризационный коэффициент приема изменяется от 0 до 0,5 и от 0,5 до 1 или от 1 до 0,5 и от 0,5 до 0 в зависимости от направления вращения. Направление θ = 60° в данном случае играет роль равносигнального.

ВЫВОДЫ

1. Можно получать круговую поляризацию поля излучателя в заданном направлении при максимальном к.н.д. с использованием отраженных от подстилающей поверхности волн. При этом поляризация поля излучателя – линейная. Указанное интересное обстоятельство, заключающееся в том, что для антенны с линейной наклонной поляризацией при отражении от подстилающей поверхности поляризация становится в общем случае эллиптической отмечается также в [7].

2. Относительно направления θ = π / 3 знак коэффициента эллиптичности r меняется, что свидетельствует об изменении направления вращения плоскости поляризации и возможности использования излучателя в качестве датчика направления вращения плоскости поляризации, например, в системах определения угловых координат источников. Величину углового сектора можно изменять, меняя  θ₀.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Козлов,А.И. Поляризация радиоволн. Кн. 1. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. / А.И. Козлов, А.И. Логвин, В.А. Сарычев. – М.: Радиотехника, 2005. – 704 с.: ил.

2. Козлов,А.И. Поляризация радиоволн. Кн. 2. Радиолокационная поляриметрия.  / А.И. Козлов,  А.И. Логвин, В.А. Сарычев. – М.: Радиотехника, 2007. – 640 с.: ил.

3. Козлов,А.И. Поляризация радиоволн. Кн. 3. Радиополяриметрия сложных по структуре сигналов. / А.И. Козлов, А.И. Логвин, В.А. Сарычев. – М.: Радиотехника, 2008. – 688 с.: ил.

4.  Корниенко,Л.Г. О синтезе антенных решеток с управляемой поляризацией поля. / Л.Г.Корниенко, А.С.Осипов // Радиотехника: респ. межвед. науч. – техн. сб. – Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1981. – Вып. 59. – С.81–89.

5. Осипов,А.С. О синтезе приемных и передающих фазированных антенных решеток с управляемой поляризацией поля / А.С.Осипов // Журнал Радиотехника. – 2013г. №6. – С.30-34.

6.  Осипов,А.С. Использование отражений от подстилающей поверхности для формирования произвольной поляризации при высокой направленности излучения в фазированных антенных решетках с управляемой поляризацией // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – Красноярск, 2012. – том 5. Вып.№3. – С.311–318.

7. Справочник по антенной технике: Справ. В 5 т. Т.1 / Л.Д. Бахрах, Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др. Под ред. Я.Н.Фельда, Е.Г. Зелкина. – М.: ИПРЖР, 1997. – 256с.: ил.

8. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова. – М.: Высш. шк., 1990. – 496с.: ил.