Классификация методов диагностики. Системы фокусировки СВЧ-энергии (стр. 2 из 3)

Рассмотрим применение малапараметрической фокусировки СВЧ-энергии для решения информационных задач в ближней зоне антенной системы.

Пространственная фокусировка на прием и на излучение осуществляется благодаря большому раскрыву антенной системы (АС), обеспечивающему пространственно-временное когерентное сложение либо принятых колебаний со всего раскрыва некоторой АС - непрерывной или дискретной (разреженной), либо излученных той же АС колебаний, создавая пространственную плотность потока энергии в зоне фокусировки - большую, чем на раскрыве АС с площадью раскрыва S_а= L_a┴*L_a

т.е. на расстояниях r₀

S_ά/λ , удовлетворяющих условию зоны Френеля.

Существует некоторая точка пространства с координатами ά₀, β₀, r₀ соответствующая максимуму диаграммы фокусировки, которая характеризует фокусирующие свойства АС. Впервые введя новую сущность - диаграмму фокусировки, которая в равной мере относится как к режиму приема, так и к режиму излучения, под ней следует понимать зависимость результирующей амплитуды когерентно-сложенных колебаний от трех координат некоторых точек пространства G(

,г), из которых осуществляется излучение и производится фокусировка на прием принятых АС колебаний. В отличие от диаграммы направленности АС, которая является функцией только двух угловых координат, диаграмма фокусировки является функцией трех координат - двух угловых и дальности. Однако существует некоторая область пространства в окрестности указанной точки, в которой относительный уровень сфокусированного СВЧ сигнала оказывается не ниже заданного. Эту область пространства следует называть зоной фокусировки.

Что касается временной концентрации СВЧ энергии, то она осуществляется благодаря широкому спектру излучаемого (принимаемого) сигнала, обеспечивающему временное сжатие сигнала, пропорционально его базе, т.е. произведению длительности на ширину спектра, в силу чего мощность (временная плотность энергии) увеличивается в то же число раз.

Ограничимся рассмотрением только пространственной фокусировки СВЧ энергии, считая временную структуру принимаемых или излучаемых колебаний соответствующей монохроматическому сигналу. В зоне Френеля -фронт такой волны характеризуется наклоном в двух плоскостях

₀ и ₀ по отношению к раскрыву АС и кривизной ₀= 1/r_о.

Когерентное сложение сигналов

M_kl=E₀ ^.e_ikθ^. e_ilθe^i(k2+l2)θ

с элементов ФАР под номером k1, где k- строка, а l- столбец элементов двумерной ФАР, расположенных эквидистантно с шагом Δ1, предполагает коррекцию их поканальных набегов фазы Δθ₁,Δθ₂,Δθ₃, обусловленных наклоном и кривизной волнового фронта (ВФ):

Δθ₁ = Ώ_c1Δ1 = 2π/λsin ά₀^. Δ1

Δθ₂ = Ώ_c2Δ1 = 2π/λsin β₀^. Δ1

Δθ₃ = 2π/λγ₀/2^. (Δ1)²

а также юстировку начального фазового распределения, обусловленного

совокупностью причин инструментального характера

S =

G

Заменяя ограниченный раскрыв АС L=N^. Δ1 с равномерным амплитудным распределением бесконечным раскрывом с гауссовым амплитудным распределением, находим диаграмму фокусировки.-

,

где Δά=ά₀-ά_k, Δβ₀=β₀-β_k,Δr=r₀-r_k -рассогласования в плоскостях и по дальности соответственно, Эффективные размеры зоны фокусировки:

Сомножитель G(0,0,0)=E_о^.L₁^.L₂/(Δl)²= E₀^. N₁^. N₂ отражает амплитуду результирующего колебания, как результата когерентного сложения колебаний от N=N₁^.N₂ элементов ФАР.

Априорная неопределенность относительно расположения зоны фокусировки и элементов ФАР требует использования принципов самонастройки (адаптации) в системе фокусировки СВЧ энергии. Адаптивное управление амплитудно-фазовым распределением системы фокусировки СВЧ энергии может быть организовано на разных принципах. Если обеспечивать синфазное (когерентное) сложение колебаний от всех элементов ФАР с колебанием какого-то одного опорного элемента, то такая система самонастройки будет многопараметрической, которая в сравнении с малопараметрической не требует предварительной юстировки начального фазового распределения.

Проведенный синтез дискриминаторов наклона и кривизны ВФ показал, что формирование сигнала ошибки наклона ВФ должно осуществляться путем формирования двух каналов, взаимно расстроенных по пространственной частоте относительно единого фазового центра АС, суммарно-разностной обработки и скалярного перемножения (метод АМС), либо путем формирования двух каналов со взаимно рассовмещенными фазовыми центрами на расстоянии, не превышающее раскрыва около каждого фазового центра, суммарно-разностной обработкой и перемножением с предварительным сдвигом по фазе на п/2 радиан одного из сомножителей (метод ФМС). Формирование сигнала ошибки кривизны ВФ должно осуществляться путем формирования трех каналов, взаимно расстроенных по пространственной частоте относительно единого фазового центра АС, двойной суммарно-разностной обработки и перемножения со сдвигом по фазе одного из сомножителей на п/2 радиан (метод АМС), либо путем формирования трех каналов со взаимно рассовмещенными фазовыми центрами, двойной суммарно-разностной обработкой и перемножением со сдвигом по фазе одного из сомножителей на п/2 радиан (метод ФМО). Дискриминационные характеристики дискриминаторов наклона и кривизны ВФ (при L₁ = L₂= L) могут быть описаны выражениями вида:

где Gо и Δr_эф - коэффициент направленного действия АС и эффективная протяженность зоны фокусировки по дальности соответственно. Откуда крутизна дискриминационных характеристик:

[ В/рад],

Определены спектральные плотности возмущающих воздействий дискриминаторов наклона и кривизны ВФ:

где Δ_эф - разрешающая способность системы фокусировки по некоторому обобщенному параметру (наклону, кривизне), μ - отношение сигнал шум, ΔF_oбp- полоса пропускания фильтра обработки сигнала. Полагая сигнал сильным, дисперсия флуктуационной ошибки самонастройки по измеряемому обобщенному параметру равна:

, где ρ_a- эквивалентное отношение сигнал/шум по мощности в цепи самонастройки. Чтобы ошибка адаптации не приводила к заметному снижению эффективности фокусировки, необходимо выполнение условия: . для чего необходимо, чтобы . Это означает, что энергия сигнала, накопленного в цепи самонастройки, должна быть, по крайней мере, на порядок больше спектральной плотности шумов. Если ориентироваться только на источник внутренних шумов с коэффициентом шума к_ш=250, который нетрудно обеспечить, то

Продолжительность переходных процессов (время адаптации) в цепях самонастройки при неблагоприятном исходном положении цепей самонастройки в области неустойчивого равновесия с очень низким коэффициентом положительной обратной связи на порядок может превышать время памяти замкнутой цепи самонастройки в установившемся режиме: T_адапт.= 10^.T_а= 10/Δf_a поэтому, желая иметь быстродействующую систему фокусировки СВЧ энергии с временем адаптации порядка 10 мкс, необходимо обеспечить полосу пропускания замкнутой цепи самонастройки в установившемся режиме порядка I МГц.